集成电路中的元器.ppt
模拟集成电子学,模拟集成电子学,第二章,集成电路中的元器件,模拟集成电子学,目录,第二节 集成电路中的二极管、双极型晶体管、MOSFET,第一节 集成电路中的电容、电阻和电感,模拟集成电子学,第一节 集成电路中的电容、电阻和电感,一.电容（Capacitor）,参数：,a.电容密度b.温度系数c.电压系数d.绝对精度e.相对精度,模拟集成电子学,第一节 集成电路中的电容、电阻和电感,几种常见电容：,1.PN结电容正偏(扩散电容,势垒电容)，反偏势垒电容。,2.MOS电容通常几fF/um2,3.PIP电容Poly Insulator Poly。,4.MIM电容Metal Insulator Metal。5.寄生电容,（MIM电容优于PIP电容）,MOS工艺中的PN结电容,不同类型的MOS电容,从65纳米到45纳米 必须找到新的high-K材料 在45纳米以前,使用的二氧化硅做为制造晶体管栅介质的材料,通过压缩其厚度以维持栅级的电容进而持续改善晶体管效能。在65纳米制程工艺下，Intel公司已经将晶体管二氧化硅栅介质的厚度压缩至与五层原子的厚度相当。65纳米已经达到了这种传统材料的极限。,寄生电容 寄生电容是在集成电路内部，由于ILD(Inter Layer Dielectrics，层间电介质)的存在，导线之间就不可避免地存在电容，称之为寄生电容（分布电容）。随着工艺制程的提高，单位面积里的导线越来越多，连线间的间距变小，连线间的耦合电容变得显著，寄生电容产生的串绕和延时增加等一系列问题更加突出。寄生电容不仅影响芯片的速度，也对工作可靠性构成严重威胁。,模拟集成电子学,第一节 集成电路中的电容、电阻和电感,二.电阻（Resistor）,参数：,a.方块电阻R口,b.温度系数,d.绝对精度,e.相对精度,R口：方块电阻，取决于工艺参数。,c.电压系数,模拟集成电子学,阱电阻,模拟集成电子学,（一）几种常见电阻,1.阱电阻,2.Poly电阻,4.寄生电阻,5.开关电容模拟电阻,6.MOS有源电阻,3.N+、P+扩散电阻,不同材料的方块电阻(针对0.25umCMOS工艺)材料 方块电阻(/)n+、p+扩散层 50150 n+、p+扩散层（有硅化物）35 N阱 1000 1500 多晶硅（Poly电阻）150200 多晶硅（有硅化物）45 金属 0.050.1,寄生电阻 由于集成电路的尺寸愈来愈小、电路愈来愈密，同时工作频率愈来愈快，芯片内电路的寄生电阻效应和寄生电容效应也就愈来愈严重，进而使频率无法再提升，这种情况称之为阻容延迟（又叫阻容迟滞，RC延时,RC Delay），RC延时不仅阻碍频率成长，同时也会增加电路的无用功的功耗。,寄生电阻的问题来自于线路本身的电阻性，如果可以用电阻值更低的材质，寄生电阻的问题就可以缓解。目前集成电路业界已经采用铜互联技术来代替铝互连技术，由于铜比铝有更好的导电率，电阻较低，单纯采用铜来代替铝作为互联材料可以降低RC 大约40%。,模拟集成电子学,第一节 集成电路中的电容、电阻和电感,5.开关电容模拟电阻,一个周期内传递的电荷：,所以：,等效电阻：,时间常数：,模拟集成电子学,第一节 集成电路中的电容、电阻和电感,例：,特点：,1.电阻可以做的很大。,2.RC时间常数很精确。,f=100KHz，C=1pf，Req=?,Req=,6.MOS有源电阻用MOS管做电阻,模拟集成电子学,三.电感（Inductance）,第一节 集成电路中的电容、电阻和电感,(一)无源电感(RF CMOS),特点：,（1）电感量小，nH量级。,（2）Q值有限，通常10左右。,(二)有源等效电感,模拟集成电子学,第一节 集成电路中的电容、电阻和电感,运放实现的有源等效电感,=,(1),模拟集成电子学,第一节 集成电路中的电容、电阻和电感,运放为理想，增益A无穷大，输入电流为0,=,=,可得,因为,所以,因为,可得等效电感,模拟集成电子学,(2),运放实现的有源等效电感,第一节 集成电路中的电容、电阻和电感,=,模拟集成电子学,运放为理想，增益A无穷大，输入电流为0,(1),(2),由（2）,代入（1）,可得,所以,电感的Q值：,第一节 集成电路中的电容、电阻和电感,模拟集成电子学,第二节 集成电路中的二极管、双极型晶体管、MOSFET,模拟集成电子学,第二节 集成电路中的二极管、双极型晶体管、MOSFET,一.双极型晶体管,NPN,PNP,P衬底 N 外延双极工艺,在n阱CMOS工艺中的pnp,模拟集成电子学,第二节 集成电路中的二极管、双极型晶体管、MOSFET,二.MOSFET,模拟集成电子学,第二节 集成电路中的二极管、双极型晶体管、MOSFET,N沟,P沟,N型增强,N型耗尽,P型增强,P型耗尽,表示方法,以上是三端器件；集成电路中用通常是四端器件！,NMOS结构 的立体结构,PMOS管结构,目前，SMIC（中芯国际）的40nm工艺，包括三种阈电压的MOS管（即1.1V、1.8V和2.5V），1P10M，采用Low-k(2.7)的铜互连。,模拟集成电子学,第三章 集成电路中的器件模型,模拟集成电子学,建立方法：,1.以器件的结构和工作原理为依据。,2.把器件当成“黑盒子”而从其端口出发建立模型特性。,模拟集成电子学,集成电路中的器件模型,1.直流模型大信号范围内适合，也叫大 信号模型。,2.低频小信号模型小信号时适合。,3.高频模型加上各种寄生元件而生成。,4.噪声模型。,分类：,模拟集成电子学,集成电路中的器件模型,一.二极管模型,饱和电流,面积因子,模拟集成电子学,集成电路中的器件模型,二.双极晶体管模型,直流模型,晶体管传输饱和电流,交流小信号模型,（考虑各种电容的影响）,集成电路中的器件模型,三.MOSFET模型 SPICE ModelLEVEL=1 Shichman-Hodges(SH方程)modelLEVEL=2 考虑了二阶效应LEVEL=3 半经验模型LEVEL=4 短沟道模型（BSIM3),模拟集成电子学,集成电路中的器件模型,LEVEL1(以NMOS为例)1.直流大信号模型（开启电压）,（，）,（，）,（）,其中,模拟集成电子学,集成电路中的器件模型,2.交流模型,L为沟道长度,L为有效长度,L0栅对源、漏 覆盖长度,模拟集成电子学,集成电路中的器件模型,欧姆区：,沟道中的n型反型层与衬底之间的电容,模拟集成电子学,集成电路中的器件模型,饱和区：,模拟集成电子学,集成电路中的器件模型,3.交流小信号模型(低频、高频),截止区：,欧姆区：小信号时通常不工作在欧姆区。,饱和区：,强反型所需的栅压,体阈值参数,MOS和双极型器件性能比较,跨导 对MOS器件,若Ic=1mA,室温下kT/q=0.026V,则,对双极器件,可以画出低频小信号等效电路加上电容可以得到高频小信号等效电路,模拟集成电子学,集成电路中的器件模型,4.MOS管的亚阈值区特性,应用：（1）低功耗时,（2）利用指数关系,（3）低速电路,模拟集成电子学,三.MOS工艺中两个重要问题,a）ESD（Electro-Static-Discharge）,b）Latch-up effect,集成电路中的器件模型,模拟集成电子学,a）集成电路中管脚的静电保护电路,集成电路中的器件模型,模拟集成电子学,b）闩锁效应,闩锁效应是由NMOS的有源区、P衬底、N阱、PMOS的有源区构成的n-p-n-p结构产生的，当其中一个三极管正偏时，就会构成正反馈形成闩锁。,集成电路中的器件模型,模拟集成电子学,=,=,集成电路中的器件模型,模拟集成电子学,为避免以上情形出现：,1.器件放置远。,2.采用深well。,3.加保护环。,4.阱和衬底浓度高，加大基区复合。,5.Silicon on Insulator(SOI)/Silicon on Sapphire(SOS)工艺。,集成电路中的器件模型,SOI(Silicon-On-Insulator:绝缘衬底上的硅)技术,
