《集成电路中的元器》PPT课件.ppt

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1、模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学第二章第二章集成电路中的元器件集成电路中的元器件模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学目录目录第二节第二节 集成电路中的二极管、集成电路中的二极管、双极型晶体管、双极型晶体管、MOSFETMOSFET第一节第一节 集成电路中的电容、集成电路中的电容、电阻和电感电阻和电感模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学第一节第一节第一节第一节 集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感一一.电容（电容（CapacitorCapaci

2、tor）参数：参数：a.a.电容密度电容密度b.b.温度系数温度系数c.c.电压系数电压系数d.d.绝对精度绝对精度e.e.相对精度相对精度模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学第一节第一节第一节第一节 集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感几种常见电容：几种常见电容：结电容结电容正偏正偏(扩散电容扩散电容,势垒电容势垒电容)，反偏，反偏势垒电容势垒电容。电容电容通常几通常几fF/umfF/um2 2 电容电容Poly Insulator PolyPoly Insulator Poly。电容电容Meta

3、l Insulator MetalMetal Insulator Metal。5.5.寄生电容寄生电容（MIMMIM电容优于电容优于PIPPIP电容）电容）MOS工艺中的PN结电容 不同类型的MOS电容从从65纳米到纳米到45纳米纳米 必须找到新的必须找到新的high-K材料材料 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纳米已经达到了这种传统材料的极限。寄生电容寄生电容 寄生电容是在集成电路内

4、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。模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学第一节第一节第一节第一节 集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感二二.电阻（电阻（ResistorResistor）参数：参数：a.

5、a.方块电阻方块电阻R R口口b.b.温度系数温度系数d.d.绝对精度绝对精度e.e.相对精度相对精度R R口口 ：方块电阻，取决于工艺参数：方块电阻，取决于工艺参数 。c.c.电压系数电压系数模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学阱电阻阱电阻：方块电阻：方块电阻R R口口：可控参数：可控参数模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学（一）几种常见电阻（一）几种常见电阻1.1.阱电阻阱电阻电阻电阻4.4.寄生电阻寄生电阻5.5.开关电容模拟电阻开关电容模拟电阻有源电阻有源电阻3.N+3.N+、P+P+扩散电阻扩散电阻 不同材料的方块电阻不同材料的方块电阻 (针对

6、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（PolyPoly电阻）电阻）150200 多晶硅（有硅化物）45 金属 寄生电阻寄生电阻 由于集成电路的尺寸愈来愈小、电路愈来愈密，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，提升，这种情况称之为阻容延迟（又叫阻容迟滞，RCRC延时延时,RC Del

7、ay,RC Delay），），RCRC延时不仅阻碍频率成长，同时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。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%。模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学第一节第一节第一节第一节 集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感5.5.开关电容模拟电阻

8、开关电容模拟电阻一个周期内传递的电荷：一个周期内传递的电荷：所以：所以：等效电阻：等效电阻：时间常数：时间常数：模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学第一节第一节第一节第一节 集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感例：例：特点：特点：1.1.电阻可以做的很大。电阻可以做的很大。时间常数很精确。时间常数很精确。f=100KHzf=100KHz，C=1pfC=1pf，R Reqeq=?=?R Req eq=有源电阻有源电阻用用MOS管做电阻管做电阻模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学三三

9、.电感电感（InductanceInductance）第一节第一节第一节第一节 集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感(一一)无源电感无源电感(RF CMOS)(RF CMOS)特点：特点：（1 1）电感量小，）电感量小，nHnH量级。量级。（2 2）Q Q值有限，通常值有限，通常1010左右。左右。(二二)有源等效电感有源等效电感模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学第一节第一节第一节第一节 集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电

10、感运放实现的有源等效电感运放实现的有源等效电感=(1)(1)模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学第一节第一节第一节第一节 集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感运放为理想，增益运放为理想，增益A A无穷大，输入电流为无穷大，输入电流为0 0=可得可得因为因为所以所以因为因为可得等效电感可得等效电感模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学(2)(2)运放实现的有源等效电感运放实现的有源等效电感第一节第一节第一节第一节 集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电

11、容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感=模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学运放为理想，增益运放为理想，增益A A无穷大，输入电流为无穷大，输入电流为0 0(1)(1)(2)(2)由由（2 2）代入（代入（1 1）可得可得所以所以电感的电感的Q Q值：值：第一节第一节第一节第一节 集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感集成电路中的电容、电阻和电感模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学第二节第二节 集成电路中的二极管、集成电路中的二极管、双极型晶体管、双极型晶体管、MOSFETMOSFET模拟集成电子学模拟集

12、成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学第二节第二节第二节第二节 集成电路中的二极管、双极型晶体管、集成电路中的二极管、双极型晶体管、集成电路中的二极管、双极型晶体管、集成电路中的二极管、双极型晶体管、MOSFETMOSFETMOSFETMOSFET一一.双极型晶体管双极型晶体管NPNNPNPNPPNPP P衬底衬底 N N 外延双极工艺外延双极工艺在n阱CMOS工艺中的pnp模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学第二节第二节第二节第二节 集成电路中的二极管、双极型晶体管、集成电路中的二极管、双极型晶体管、集成电路中的二极管、双极型晶体管、集成电路中的二极管、双极型晶体管、MOS

13、FETMOSFETMOSFETMOSFET二二.MOSFET.MOSFETMOSFETMOSFETN N沟沟P P沟沟N N型增强型增强N N型耗尽型耗尽P P型增强型增强P P型耗尽型耗尽模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学第二节第二节第二节第二节 集成电路中的二极管、双极型晶体管、集成电路中的二极管、双极型晶体管、集成电路中的二极管、双极型晶体管、集成电路中的二极管、双极型晶体管、MOSFETMOSFETMOSFETMOSFETN N沟沟P P沟沟N N型增强型增强N N型耗尽型耗尽P P型增强型增强P P型耗尽型耗尽表示方法表示方法以上是三端器件；集成电路中用通常是四

14、端器件！以上是三端器件；集成电路中用通常是四端器件！NMOS结构结构 的立体结构的立体结构PMOS管结构 目前，目前，SMICSMIC（中芯国际）的（中芯国际）的40nm40nm工工艺，包括三种阈电压的艺，包括三种阈电压的MOSMOS管（即、和），管（即、和），1P10M1P10M，采用，采用Low-k(2.7)Low-k(2.7)的铜互连。的铜互连。模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学第三第三章章 集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学建立方法：建立方法：1.1.以器件的结构和工作原理为依据。以器件的结构和工作原理

15、为依据。2.2.把器件当成把器件当成“黑盒子黑盒子”而从其端而从其端口出发建立模型特性。口出发建立模型特性。模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型1.1.直流模型直流模型大信号范围内适合，也叫大大信号范围内适合，也叫大 信号模型。信号模型。2.2.低频小信号模型低频小信号模型小信号时小信号时适合适合。3.3.高频模型高频模型加上各种寄生元件而生成。加上各种寄生元件而生成。4.4.噪声模型。噪声模型。分类：分类：模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学集成电路中的器件模型集成电路中的

16、器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型一一.二极管模型二极管模型饱和电流饱和电流面积因子面积因子模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型二二.双极晶体管模型双极晶体管模型直流模型直流模型晶体管传输饱和电流晶体管传输饱和电流交流小信号模型交流小信号模型（考虑各种电容的影响）（考虑各种电容的影响）集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型三三.MOSFET模型模型 SPICE ModelLEVEL=1 Shichman-Hodges(SH方程方程)mode

17、lLEVEL=2 考虑了二阶效应考虑了二阶效应LEVEL=3 半经验模型半经验模型LEVEL=4 短沟道模型（短沟道模型（BSIM3)模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型LEVEL1(LEVEL1(以以NMOSNMOS为例为例)1.1.直流大信号模型直流大信号模型 （开启电压）开启电压）（，）（，）（）其中其中模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型2.2.交流模型交流模型 L L为沟道长度为沟道长度

18、LL为有效长度为有效长度L L0 0栅对源、漏栅对源、漏 覆盖长度覆盖长度模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型欧姆区：欧姆区：沟道中的沟道中的n n型反型层与衬底之间的电容型反型层与衬底之间的电容 模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型饱和区：饱和区：模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型3.3.交流小

19、信号模型交流小信号模型 (低频、高频低频、高频)截止区：截止区：欧姆区：欧姆区：小信号时通常不工作在欧姆区。小信号时通常不工作在欧姆区。饱和区：饱和区：强反型所需的栅压强反型所需的栅压 体阈值参数体阈值参数 MOS和双极型器件性能比较跨导 对对MOSMOS器件器件,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加上电容可以得到高频小信号等效电路模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型4.MOS4.MO

20、S管的亚阈值区特性管的亚阈值区特性 应用应用：（：（1 1）低功耗时）低功耗时 （2 2）利用指数关系）利用指数关系 （3 3）低速电路）低速电路模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学三三.MOS.MOS工艺中两个重要问题工艺中两个重要问题a a）ESDESD（Electro-Static-DischargeElectro-Static-Discharge）b b）Latch-up effectLatch-up effect集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学a a）集成电路中

21、管脚的静电保护电路）集成电路中管脚的静电保护电路集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学b b）闩锁效应）闩锁效应 闩锁效应是由闩锁效应是由NMOSNMOS的有源区、的有源区、P P衬底、衬底、N N阱、阱、PMOSPMOS的有源区构成的的有源区构成的n-p-n-pn-p-n-p结构产结构产生的，当其中一个三极管正偏时，就会构生的，当其中一个三极管正偏时，就会构成正反馈形成闩锁。成正反馈形成闩锁。集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型模拟集成电子学模拟集成电

22、子学模拟集成电子学模拟集成电子学=集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学模拟集成电子学为避免以上情形出现：为避免以上情形出现：1.1.器件放置远。器件放置远。2.2.采用深采用深wellwell。3.3.加保护环。加保护环。4.4.阱和衬底浓度高，加大基区复合。阱和衬底浓度高，加大基区复合。5.Silicon on Insulator(SOI)5.Silicon on Insulator(SOI)/Silicon/Silicon on Sapphire(SOS)on Sapphire(SOS)工艺。工艺。集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型集成电路中的器件模型Institute of Robotics and Automatic Information SystemInstitute of Robotics and Automatic Information SystemSOI(Silicon-On-Insulator:绝缘衬底上的硅)技术