第2章元件精选PPT.ppt

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1、第2章 元件第1页，此课件共55页哦MOSFET结构示意图结构示意图左图为MOSFET结构示意图。MOSFET有增强型和耗尽型两种，在左下图中给出。2.1 MOS的电气特性和制造工艺第2页，此课件共55页哦第3页，此课件共55页哦第4页，此课件共55页哦MOSFET 的类型和符号的类型和符号NMOSPMOS增强型增强型 耗尽型耗尽型增强型增强型 耗尽型耗尽型衬底衬底pnS/Dn+p+载流子载流子电子电子空穴空穴VDS+IDSD SS D载流子运动方向载流子运动方向S DS DVT+符号符号GDBSGDBSGDBSGDBS第5页，此课件共55页哦MOS晶体管在物理版图中,只要一条多晶硅跨过一个有

2、源区就形成了一个MOS晶体管,将其S,G,D,B四端用连线引出即可与电路中其它元件连接.MOS晶体管的电特性MOS晶体管是用栅电压控制源漏电流的器件,重要的公式是萨方程(I-V方程):IDS=kW/L(VG-VT-VS)2-(VG-VT-VD)2第6页，此课件共55页哦MOS晶体管MOS晶体管的电特性VG,VS,VD分别是栅,源,漏端的电压,VT是开启电压.k是本征导电因子,k=Cox/2,是表面迁移率,属于硅材料参数,Cox是单位面积栅电容,属于工艺参数W,L分别是MOSFET的沟道宽度和长度,属于物理参数管子的最小沟道长度Lmin标志着工艺的水平特征尺寸,如0.35um,0.18um.W表

3、示管子的大小,W越大则管子越大,导电能力越强,等效电阻越小.第7页，此课件共55页哦MOS晶体管 MOS晶体管的电气特性1.晶体管的三种工作状态 截止区：IDS=0 条件：饱和区：IDS=kW/L(VG-VT-VS)2-(VG-VT-VD)2 条件：线性区：IDS=kW/L(VG-VT-VS)2-(VG-VT-VD)2 条件：2.晶体管的开启电压公式 第8页，此课件共55页哦第9页，此课件共55页哦退火 刻蚀沉积注入 第10页，此课件共55页哦磷硅玻璃流回;再涨 沉积刻蚀氮化物 第11页，此课件共55页哦第12页，此课件共55页哦涂层 原有的 第13页，此课件共55页哦照相平版印刷 光刻法 紫

4、外(线)的 刻蚀曝光第14页，此课件共55页哦掺杂第15页，此课件共55页哦覆盖 第16页，此课件共55页哦2.2 MOS晶体管NMOS晶体管的版图和结构DSBGNMOS晶体管符号 NMOS晶体管剖面图NMOS晶体管版图N管 源漏区NNNNNNP FOX FOXDGSBLWDGSB第17页，此课件共55页哦MOS晶体管PMOS晶体管的版图和结构DSBGPMOS晶体管符号 PMOS晶体管剖面图PMOS晶体管版图P-substrateP-substrateN-N-阱阱P管 源漏区PPN-阱 FOX FOXNNDGSBLWDGSB第18页，此课件共55页哦MOS晶体管 MOS晶体管的隔离 在集成电路

5、中,两个无关的晶体管都是用场氧隔离的将MOS1和MOS2隔离开 Vdd Gnd out inP-substrateP-substrateN-N-NNPPNNNNN-阱P FOX FOX剖面图NNMOS1MOS2BSGDDSBG第19页，此课件共55页哦反相器：工艺和版图的对应第20页，此课件共55页哦第21页，此课件共55页哦第22页，此课件共55页哦第23页，此课件共55页哦第24页，此课件共55页哦第25页，此课件共55页哦2.3 MOS晶体管的串联和并联 MOS晶体管的串联和并联 并联:晶体管的D端相连,S端相连.如果两个晶体管中有一个晶体管导通,从D到S就有电流流过,若两个晶体管都导通

6、,则 I=I1+I2.每只晶体管相当于一个电阻,它的并联和电阻并联的规律一样,等效电阻减小,电流增大.D2S2B2G2DSBGD1S1B1G1DSII1I2M1M2Meff第26页，此课件共55页哦MOS晶体管 MOS晶体管的串联和并联*串联:晶体管的S端和另外一个晶体管的D端相连.晶体管的串联和电阻的串联规律相同,等效 电阻增大,电流不变:I=I1=I2.D2S2B2G2DSBGD1S1B1G1DSII1I2M1M2Meff第27页，此课件共55页哦MOS晶体管 MOS晶体管的串联和并联*串联和并联的物理实现P1P2N1N2P1和P2并联，N1和N2串联P1P2N2N1第28页，此课件共55

7、页哦2.4 CMOS集成电路中的其他元件MOS集成电路是以MOS晶体管(MOSFET)为主要元件构成的电路，以及将这些晶体管连接起来的连线，此外，集成电阻，电容，以及 寄生三极管，二极管，等也是MOS集成电路中的重要元件.第29页，此课件共55页哦 连线*电路由元件和元件间的连线构成*理想的连线在实现连接功能的同时，不带来额外的寄生效应*在版图设计中，可用来做连线的层有：金属，扩散区，多晶硅第30页，此课件共55页哦连线 连线寄生模型*串联寄生电阻*并联寄生电容RRRRRRRRRRCCCCCCCCC简单的长导线寄生模型第31页，此课件共55页哦连线 串联寄生电阻典型值*金属(铝,铜)0.05/

8、*多晶硅1015/*扩散区（N）2030/第32页，此课件共55页哦连线substratetwh单位长度电容的经验公式：Ploy Metal1 Metal2 Metal3 Metal4最小宽度(um)0.25 0.35 0.45 0.50 0.60 底板电容(aF/um*um)90 30 15 9.0 7.0侧墙电容（两边）(aF/um)110 80 50 40 304-metal 0.25um technology第33页，此课件共55页哦连线 复杂互连线的寄生电容P型衬底金属1金属2金属3第34页，此课件共55页哦连线 串联寄生电阻和并联寄生电容的影响电源地上，电阻造成直流和瞬态压降长信号

9、线上，分布电阻电容带来延迟在导线长距离并行或不同层导线交叉时，带来相互串扰问题第35页，此课件共55页哦集成电阻 电阻*两端元件V=RI*最基本的无源元件之一，是输入输出静电保护电路，模拟电路中必不可少的元件*方块电阻，线性，寄生效应第36页，此课件共55页哦集成电阻 高阻 多晶硅 多晶硅电阻P型衬底 场氧 多晶硅*多晶硅电阻做在场区上.*其方块电阻较大,因此可以作为电阻.如在作电阻的多晶硅处注入杂质,使其方块电阻变大,可制作阻值很大的电阻.R=Rpoly-SiL/W*典型值：Rpoly-Si=1k第37页，此课件共55页哦集成电阻 NWELL电阻 P型衬底 场氧 N+N+N阱 N阱 金属*因

10、为阱是低掺杂的,方块电阻较大,因此大阻值的电阻亦可以用阱来做R=RwellL/W*典型值：Rwell=0.85kN+implantN+implantactive第38页，此课件共55页哦集成电阻 NWELL电阻*非线性*典型值：*寄生电容效应 P型衬底 场氧 N+N+N阱耗尽区CjDSBGVDDVoutVinR0DSBGVDDVoutVinRCj/2Cj/2第39页，此课件共55页哦集成电阻 MOS管电阻*工作在线性区的MOS管可用作电阻*它是一个可变电阻,其变化取决于各极电压的变化：第40页，此课件共55页哦集成电阻 多晶硅 导线电阻*多晶硅导线 1015/*扩散区（N）2030/N+imp

11、lantN+implantactive第41页，此课件共55页哦集成电容 电容*两端元件，电荷的容器Q=CV*最基本的无源元件之一，是电源滤波电路，信号滤波电路，开关电容电路中必不可少的元件*单位面积电容，线性，寄生效应第42页，此课件共55页哦集成电容 多晶硅-扩散区电容*电容作在扩散区上,它的上极板是第一层多晶硅，下极板是扩散区,中间的介质是氧化层*需要额外加一层版 P型衬底 N+多晶硅1 多晶硅1 N+N+implant for capN+implant for capactive第43页，此课件共55页哦集成电容 多晶硅-多晶硅电容：*电容作在场区上,它的两个电极分别是两层多晶硅,中间

12、的介质是氧化层*线性特性和底板寄生与多晶硅-扩散区电容相近*典型值：0.7fF/um*umP型衬底 场氧 多晶硅1 多晶硅2P型衬底 多晶硅2 多晶硅1第44页，此课件共55页哦集成电容 MOS电容：*结构和MOS晶体管一样,是一个感应沟道电容,当栅上加电压形成沟道时电容存在.一极是栅,另一极是沟道,沟道这一极由S(D)端引出.*电容的大小取决于面积,氧化层的厚度及介电数.CchRsP型衬底 N+N+Vc+-沟道*单位面积电容最大的电容单位面积电容最大的电容*沟道电阻问题沟道电阻问题第45页，此课件共55页哦集成电容 MOS电容：*非线性电容 适用于电源滤波*沟道长度需权衡考虑VcCchMOS

13、电容C/V特性减小沟道电阻的方法第46页，此课件共55页哦集成电容“夹心”电容*线性电容*电容值为：*底板寄生电容大约为 (5060%C)P型衬底C1C2C3C4CpC=C1+C2+C3+C4多晶硅金属1金属2金属3金属4第47页，此课件共55页哦衬底双极晶体管(BJT)衬底BJT*有源元件之一*对于N阱CMOS工艺，可实现PNP BJT*可用于电压基准电路第48页，此课件共55页哦衬底BJT PNP BJT的版图和结构 P型衬底 场氧 N+N阱 N阱 P型衬底 P+P+BECECB特点：1）集电极C电压受到限制，须接地2）基区宽度WB没有很好控制，电流增益差别较大3）结构上的两个主要参数：基

14、区宽度WB和BE结面积AWB第49页，此课件共55页哦衬底BJT 电特性*饱和电流 IS正比于A，反比于WB*集电极电流*共发射极电流增益 当iC一定，vBE具有负温度系数第50页，此课件共55页哦二极管（Diode）二极管*有源元件之一*对于N阱CMOS工艺，有PSD/NWELL和NSD/P-epi两种Diode主要用于ESD保护电路第51页，此课件共55页哦ESD的意思是“静电释放”的意思，它是英文：Electro-Static discharge 的缩写ESD就是电荷的快速中和，电子工业每年花在这上面的费用有数十亿美元之多。所有的物质都由原子构成，原子中有电子和质子。当物质获得或失去电子

15、时，它将失去电平衡而变成带负电或正电，正电荷或负电荷在材料表面上积累就会使物体带上静电。电荷积累通常因材料互相接触分离而产生，也可由摩擦引起，称为摩擦起电。有许多因素会影响电荷的积累，包括接触压力、摩擦系数和分离速度等。静电电荷会不断积累，直到造成电荷产生的作用停止、电荷被泄放或者达到足够的强度可以击穿周围物质为止。电介质被击穿后，静电电荷会很快得到平衡，这种电荷的快速中和就称为静电放电。由于在很小的电阻上快速泄放电压，泄放电流会很大，可能超过20安培，如果这种放电通过集成电路或其他静电敏感元件进行，这么大的电流将对设计为仅导通微安或毫安级电流的电路造成严重损害。第52页，此课件共55页哦二极管 PSD/NWELL Diode的版图和结构 P型衬底 场氧 N+N阱 N阱 P型衬底 P+CA特点：1）存在寄生PNP BJT问题，电流容易漏到衬底，BJT的beta范围可从102）有较大的串联寄生电阻3）结构上的主要参数：结面积A第53页，此课件共55页哦二极管 NSD/P-epi Diode的版图和结构 外延层 P型衬底 场氧 N+P型衬底 P+CA特点：1）C端的电压要低于衬底电压才能正向导通2）在ESD中用于抑制负的尖峰电压2）结构上的主要参数：结面积A第54页，此课件共55页哦二极管 电特性*饱和电流 IS正比于A*电流-电压关系公式*PN结电容第55页，此课件共55页哦