集成电路设计基础1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,*,集成电路设计基础,山东大学 信息学院,刘志军,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,11/20/2024,2,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,11/20/2024,3,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。,11/20/2024,4,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。,11/20/2024,5,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。,11/20/2024,6,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。,11/20/2024,7,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。,11/20/2024,8,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,11/20/2024,9,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,11/20/2024,10,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,11/20/2024,11,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,11/20/2024,12,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：,11/20/2024,13,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：,11/20/2024,14,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。,11/20/2024,15,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,11/20/2024,16,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：,11/20/2024,17,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,11/20/2024,18,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：,11/20/2024,19,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：,11/20/2024,20,集成电路设计基础,金属叉指结构电容,11/20/2024,21,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。,11/20/2024,22,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。,11/20/2024,23,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,11/20/2024,24,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,11/20/2024,25,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,11/20/2024,26,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,11/20/2024,27,集成电路设计基础,硅衬底上电感的射频双端口等效电路,：,11/20/2024,28,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：,11/20/2024,29,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。,11/20/2024,30,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。,11/20/2024,31,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。,11/20/2024,32,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。,11/20/2024,33,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。,11/20/2024,34,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。,11/20/2024,35,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。,11/20/2024,36,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。,11/20/2024,37,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。,11/20/2024,38,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,11/20/2024,39,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。,11/20/2024,40,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。,11/20/2024,41,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,11/20/2024,42,集成电路设计基础,本节结束（,143,）,谢谢！,11/20/2024,43,集成电路设计基础,11/20/2024,44,集成电路设计基础,