集成电路设计基础课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,集成电路设计基础,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,集成电路设计基础,9/8/2024,1,集成电路设计基础,上次课内容,第5章 集成电路版图设计,5.1 引言,5.2 版图几何设计规则,5.3电学设计规则,5.4布线规则,5.5 版图设计及版图验证,9/8/2024,2,集成电路设计基础,第6章 集成无源器件及SPICE模型,6.1 引言, 6.2 薄层集成电阻器, 6.3 有源电阻,6.4 集成电容器,6.5 电感,6.6 互连线,6.7 传输线,9/8/2024,3,集成电路设计基础,6.1,引 言,集成电路可以认为是由元器件组成的。 元器件可以分为两大类：,无源器件,有源器件,无源元件包括电阻、电容、电感、互连线、传输线等。有源器件就是各类晶体管。,9/8/2024,4,集成电路设计基础,集成电路模拟程序SPICE：,SPICE在集成电路的晶体管级模拟方面，成为工业标准的模拟程序。,集成电路设计工程，特别是模拟和模拟数字混合信号集成电路设计工程师必须掌握SPICE的应用。,本章我们将重点给出无源集成元器件的SPICE电路模型和相应的模型参数。,9/8/2024,5,集成电路设计基础, 6.2 薄层,集成电阻,器,集成电路中的电阻分为,：,无源电阻,通常是合金材料或采用掺杂半导体制作的电阻,有源电阻,将晶体管进行适当的连接和偏置，利用晶体管的不同的工作区所表现出来的不同的电阻特性来做电阻。,9/8/2024,6,集成电路设计基础,薄层集成电阻器,合金薄膜电阻,多晶硅薄膜电阻,采用一些合金材料沉积在二氧化硅或其它介电材料表面，通过光刻形成电阻条。常用的合金材料有：,（1）钽（Ta）； （2）镍铬（Ni-Cr）；,（3）氧化锌SnO,2,；（4）铬硅氧CrSiO。,掺杂多晶硅薄膜也是一个很好的电阻材料，广泛应用于硅基集成电路的制造。,9/8/2024,7,集成电路设计基础,掺杂半导体电阻,薄层集成电阻器,不同掺杂浓度的半导体具有不同的电阻率，利用掺杂半导体的电阻特性，可以制造电路所需的电阻器。,根据掺杂方式，可分为：,离子注入电阻,扩散电阻,对半导体进行热扩散掺杂而构成的电阻,离子注入方式形成的电阻的阻值容易控制，精度较高。,9/8/2024,8,集成电路设计基础,薄层电阻的几何图形设计,常用的薄层电阻图形,9/8/2024,9,集成电路设计基础,薄层电阻图形尺寸的计算,方块电阻的几何图形,R,9/8/2024,10,集成电路设计基础,材料,最小值,典型值,最大值,互连金属,0.05,0.07,0.1,顶层金属,0.03,0.04,0.05,多晶硅,15,20,30,硅-金属氧化物,2,3,6,扩散层,10,25,100,硅氧化物扩散,2,4,10,N阱（或P阱）,1k,2k,5k,0.5-1.0,m,MOS工艺中作为导电层的典型的薄层电阻阻值,单位:/口,9/8/2024,11,集成电路设计基础,薄层电阻端头和拐角修正,不同电阻条宽和端头形状的端头修正因子,9/8/2024,12,集成电路设计基础,薄层电阻温度系数,电阻温度系数TC是指温度每升高1时，阻值相对变化量：,在SPICE程序中,考虑温度系数时，电阻的计算公式修正为：,9/8/2024,13,集成电路设计基础,薄层电阻射频等效电路,芯片上的薄层电阻的射频双端口等效电路：,衬底电位与分布电容：,9/8/2024,14,集成电路设计基础, 6.3,有源电阻,有源电阻是指采用晶体管进行适当的连接并使其工作在一定的状态，利用它的直流导通电阻和交流电阻作为电路中的电阻元件使用。,双极型晶体管和MOS晶体管可以担当有源电阻。,9/8/2024,15,集成电路设计基础,有源电阻,MOS有源电阻及其I-V曲线,直流电阻：,交流电阻：,R,onV,GS=V,9/8/2024,16,集成电路设计基础,有源电阻,有源电阻的几种形式：,饱和区的NMOS有源电阻示意图：,9/8/2024,17,集成电路设计基础,6.4,集成电容器,在集成电路中，有多种电容结构：,金属,-,绝缘体,-,金属,(MIM),结构,多晶硅,/,金属,-,绝缘体,-,多晶硅结构,金属叉指结构,PN,结电容,MOS,电容,9/8/2024,18,集成电路设计基础,平板电容,制作在砷化镓半绝缘衬底上的MIM电容结构：,考虑温度系数时，电容的计算式为：,9/8/2024,19,集成电路设计基础,平板电容,电容模型等效电路：,固有的自频率：,9/8/2024,20,集成电路设计基础,金属叉指结构电容,9/8/2024,21,集成电路设计基础,PN结电容,突变PN结电容计算公式：,任何,pn,结都有漏电流和从结面到金属连线的体电阻，结电容的品质因数通常比较低。,结电容的参数可采用 二极管和晶体管结电容同样的方法进行计算。,9/8/2024,22,集成电路设计基础,PN结电容,电容值依赖于结面积，例如二极管和晶体管的尺寸。,PN结电容的SPICE模型就直接运用相关二极管或三极管器件的模型。,9/8/2024,23,集成电路设计基础,MOS结构电容,平板电容和PN结电容都不相同，MOS核心部分，即,金属-氧化物-半导体层结构的电容具有独特的性质。,它的电容-电压特性取决于半导体表面的状态。,随着栅极电压的变化，表面可处于：,积累区,耗尽区,反型区,9/8/2024,24,集成电路设计基础,MOS结构电容,MOS电容(a)物理结构 (b)电容与,V,gs的函数关系,9/8/2024,25,集成电路设计基础,MOS结构电容,MOS动态栅极电容与栅极电压的函数关系,9/8/2024,26,集成电路设计基础,6.5,电 感,集总电感可以有下列两种形式：,单匝线圈,多匝螺旋型线圈,多匝直角型线圈,9/8/2024,27,集成电路设计基础,硅衬底上电感的射频双端口等效电路,：,9/8/2024,28,集成电路设计基础,传输线电感,单端口电感的另一种方法是使用长度,l,l/4波长的短电传输线(微带或共面波导)或使用长度在l/4,l,l/2范围内的开路传输线。,两种传输线类型的电感值计算 如下：,9/8/2024,29,集成电路设计基础,6.6 互连线,互连线是各种分立和集成电路的基本元件。有不少人对这一概念不甚明确。,互连线的版图设计是集成电路设计中的基本任务，在专门门阵列设计电路中甚至是唯一的任务。,9/8/2024,30,集成电路设计基础,互连 线,设计中应注意的事项,对于各种互连线设计，应该注意以下方面：,为减少信号或电源引起的损耗及减少芯片面积，连线尽量短。,为提高集成度，在传输电流非常微弱时,(,如,MOS,栅极,),，大多数互连线应以制造工艺提供的最小宽度来布线。,9/8/2024,31,集成电路设计基础,互连 线,设计中应注意的事项,在连接线传输大电流时，应估计其电流容量并保留足够裕量。,制造工艺提供的多层金属能有效地提高集成度。,在微波和毫米波范围，应注意互连线的趋肤效应和寄,生参数。,某些情况下，可有目的地利用互连线的寄生效应。,9/8/2024,32,集成电路设计基础,深亚微米阶段的互连线技术,CMOS工艺发展到深亚微米阶段后，互连线的延迟已经超过逻辑门的延迟，成为时序分析的重要组成部分。,这时应采用链状RC网络、RLC网络或进一步采用传输线来模拟互连线。,9/8/2024,33,集成电路设计基础,互连线,为了保证模型的精确性和信号的完整性，需要对互连线的版图结构加以约束和进行规整。,以下讨论传输线。,9/8/2024,34,集成电路设计基础,6.7 传输线,集总元件,由于尺寸的小型化，几乎所有集成电路的有源元件都可认为是集总元件。前面讨论的无源元件也可作为集总元件来处理。,9/8/2024,35,集成电路设计基础,分布元件,随着工作频率的增加，使得一些诸如互连线的IC元件的尺寸可以与传输信号的波长相比。,这时，集总元件模型就不能有效地描述那些大尺寸元件的性能，应该定义为分布元件。,9/8/2024,36,集成电路设计基础,集成电路的传输线,集成电路设计中的分布元件主要包括微带（Micro-strip）型和共面波导（CPW: Co-Plane Wave Guide）型的传输线。,集成电路中的传输线主要有两个功能：传输信号和构成电路元件。,9/8/2024,37,集成电路设计基础,微 带 线,典型微带线的剖面图,微带线,(Micro-strip),在一片介质薄板两面形成的两条平行带状导线。,微带线设计需要的电参数主要是：,阻抗、衰减、无载,Q,、,波长、迟延常数。,9/8/2024,38,集成电路设计基础,共 面 波 导,共面波导由中间金属带和作为地平面的两边的金属带构成。,常规共面波导,9/8/2024,39,集成电路设计基础,共 面 波 导,相对于微带线，,CPW,的优点是：,工艺简单，费用低，因为所有接地线均在上表面而不需接触孔。,在相邻的,CPW,之间有更好的屏蔽，因此有更高的集成度和更小的芯片尺寸。,比金属孔有更低的接地电感。,低的阻抗和速度色散。,9/8/2024,40,集成电路设计基础,共 面 波 导,CPW,的缺点是：,衰减相对高一些。,由于厚的介质层，导热能力差，不利于大功率放大器的实现。,9/8/2024,41,集成电路设计基础,下次课：第7章 晶体管的SPICE模型, 7.1 引言, 7.2 二极管及其SPICE模型, 7.3 双极型晶体管及其SPICE模型,7.4 MOS场效应管及其SPICE模型,7.5 短沟道MOS场效应管BSIM3模型,7.6 模型参数提取技术,9/8/2024,42,集成电路设计基础,本节结束（143）,谢谢！,9/8/2024,43,集成电路设计基础,经常,不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有,力量,Study Constantly, And You Will Know Everything. The More You Know, The More Powerful You Will,Be,写在最后,感谢聆听,不足之处请大家批评指导,Please Criticize And Guide The Shortcomings,结束语,讲师：,XXXXXX,XX,年,XX,月,XX,日,