第二三章集成电路中的元器件课件

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目录第二节集成电路中的二极管、第一节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、电阻和电感一.电容（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——PolyInsulatorPoly。4.MIM电容——MetalInsulatorMetal。5.寄生电容（MIM电容优于PIP电容）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MOS工艺中的PN结电容第二三章集成电路中的元器件课件第二三章集成电路中的元器件课件第二三章集成电路中的元器件课件不同类型的MOS电容第二三章集成电路中的元器件课件第二三章集成电路中的元器件课件第二三章集成电路中的元器件课件从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。从65纳米到45纳米必须找到新的high-K材料10

寄生电容

寄生电容是在集成电路内部，由于ILD(InterLayerDielectrics，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。

寄生电容

寄生电容是在集成电路内部，由于I第二三章集成电路中的元器件课件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第一节集成电路中的电容、电阻和电感二.电阻（模拟集成电子学阱电阻：方块电阻R口：可控参数模拟集成电子学阱电阻：方块电阻R口：可控参数模拟集成电子学（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+扩散电阻模拟集成电子学（一）几种常见电阻1.阱电阻2.Poly电阻4

不同材料的方块电阻

(针对0.25umCMOS工艺)

材料方块电阻(Ω/□)

n+、p+扩散层50~150

n+、

p+扩散层（有硅化物）3~5N阱1000~1500

多晶硅（Poly电阻）

150~200

多晶硅（有硅化物）4~5

金属0.05~0.1不同材料的方块电阻

寄生电阻

由于集成电路的尺寸愈来愈小、电路愈来愈密，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,RCDelay），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

由于集成电路的尺寸愈来愈小、电路愈来

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%。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5.开关电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=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：6.MOS有源电阻用MOS管做电阻6.MOS有源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(RFCMOS)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三.电感（Inductance）第一节集成电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、电阻和电感运放实现的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第一节集成电路中的电容、电阻和电感运放为理想模拟集成电子学(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(2)运放实现的有源等效电感第一节集成电路中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运放为理想，增益A无穷大，输入电流为0｛｝(1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、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NPNPNPP衬底N外延双极工艺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、MO在n阱CMOS工艺中的pnp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.MOSFETMOSFETN沟P沟N型增强N型耗尽P型增强P型耗尽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、MO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、MOSFETN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！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、MONMOS结构

的立体结构NMOS结构的立体结构PMOS管结构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。目前，SMIC（中芯国际）的40nm工艺，包括三种阈电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。模拟集成电子学建立方法：1.以器件的结构和工作原理为依据。2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1.直流模型——大信号范围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一.二极管模型饱和电流——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）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集成电路中的器件模型三.MOSFET模型SPICEModelLEVEL=1Shichman-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)

集成电路中的器件模型三.MOSFET模型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LEVEL1(以NMOS为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2.交流模型L为沟道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欧姆区：沟道中的n型反型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,MOS和双极型器件性能比较

跨导对双极器件,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可以画出低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集成电路中的器件模型4.MOS管的亚阈值区特模拟集成电子学三.MOS工艺中两个重要问题a）ESD（Electro-Static-Discharge）b）Latch-upeffect集成电路中的器件模型模拟集成电子学三.MOS工艺中两个重要问题a）ESD（Ele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a）集成电路中管脚的静电保护电路集成电路中的器模拟集成电子学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b）闩锁效应闩锁效应是由N模拟集成电子学=>=>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.SilicononInsulator(SOI)

/SilicononSapphire(SOS)工艺。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.采用深精品课件！精品课件！精品课件！精品课件！SOI(Silicon-On-Insulator:

绝缘衬底上的硅)技术SOI(Silicon-On-Insulator:

绝缘衬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目录第二节集成电路中的二极管、第一节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、电阻和电感一.电容（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——PolyInsulatorPoly。4.MIM电容——MetalInsulatorMetal。5.寄生电容（MIM电容优于PIP电容）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MOS工艺中的PN结电容第二三章集成电路中的元器件课件第二三章集成电路中的元器件课件第二三章集成电路中的元器件课件不同类型的MOS电容第二三章集成电路中的元器件课件第二三章集成电路中的元器件课件第二三章集成电路中的元器件课件从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。从65纳米到45纳米必须找到新的high-K材料67

寄生电容

寄生电容是在集成电路内部，由于ILD(InterLayerDielectrics，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。

寄生电容

寄生电容是在集成电路内部，由于I第二三章集成电路中的元器件课件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第一节集成电路中的电容、电阻和电感二.电阻（模拟集成电子学阱电阻：方块电阻R口：可控参数模拟集成电子学阱电阻：方块电阻R口：可控参数模拟集成电子学（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+扩散电阻模拟集成电子学（一）几种常见电阻1.阱电阻2.Poly电阻4

不同材料的方块电阻

(针对0.25umCMOS工艺)

材料方块电阻(Ω/□)

n+、p+扩散层50~150

n+、

p+扩散层（有硅化物）3~5N阱1000~1500

多晶硅（Poly电阻）

150~200

多晶硅（有硅化物）4~5

金属0.05~0.1不同材料的方块电阻

寄生电阻

由于集成电路的尺寸愈来愈小、电路愈来愈密，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,RCDelay），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

由于集成电路的尺寸愈来愈小、电路愈来

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%。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5.开关电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=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：6.MOS有源电阻用MOS管做电阻6.MOS有源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(RFCMOS)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三.电感（Inductance）第一节集成电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、电阻和电感运放实现的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第一节集成电路中的电容、电阻和电感运放为理想模拟集成电子学(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(2)运放实现的有源等效电感第一节集成电路中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运放为理想，增益A无穷大，输入电流为0｛｝(1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、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NPNPNPP衬底N外延双极工艺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、MO在n阱CMOS工艺中的pnp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.MOSFETMOSFETN沟P沟N型增强N型耗尽P型增强P型耗尽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、MO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、MOSFETN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！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、MONMOS结构

的立体结构NMOS结构的立体结构PMOS管结构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。目前，SMIC（中芯国际）的40nm工艺，包括三种阈电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。模拟集成电子学建立方法：1.以器件的结构和工作原理为依据。2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1.直流模型——大信号范围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一.二极管模型饱和电流——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）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集成电路中的器件模型三.MOSFET模型SPICEModelLEVEL=1Shichman-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)

集成电路中的器件模型三.MOSFET模型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LEVEL1(以NMOS为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2.交流模型L为沟道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