集成电路中的无源器件
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半导体集成电路05无源器件
WR，min
|
W
| |
|
10m
2019/11/5
11
PA，max 5106W / m2
电阻单位面积的功耗为：PA
I 2RS W2
WR，min IMAX
RS PA，MAX
2019/11/5
12
•基区沟道电阻
n
氧化膜
N型扩散层
p
n+
n
夹层电阻区域
n
耗尽层 （反向偏压）
夹层电阻 （RF=2-10K/ )
2019/11/5
5
•基区扩散电阻
氧化膜
p
P型扩散层 （电阻）
n
2019/11/5
6
L
w
氧化膜
VCC
p
n
P型扩散层 （电阻）
n
基区扩散电阻 （Rs=100-200/ )
L R Rs W
Rs为基区扩散的薄层电阻 L、W为电阻器的长度和宽度
1. 端头修正 2. 拐角修正因子 3. 横向扩散修正因子 4. 薄层电阻值Rs的修正
2019/11/5
18
N型半导体与P型半导体
受主杂质 施主杂质
N型半导体
P型半导体
2019/11/5
19
半导体材料的导电率
E
电子以速度Vd移动
则有: Jn n0qVd (1)
Jn n E (2)
由式(1)、式（2）可得
Vd En
n q 要改变半导体
n
0 n 材料的电导率
半导体 集成电路
2019/11/5
1
集成电阻器 集成电容器
2019/11/5
集成电路中的无源元件
2018/10/24
19
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
2018/10/24
20
MOS结构电容
a a + + + + + + + + + 1.0 Co 沟道 Cdep 沟道 耗尽层 p型衬底 Vss Vss （a） （ b） Vgs d tox Cgb Co 0.2 积累区 耗尽区 反型区
第3章 集成电路中的无源元件
元器件可以分为两大类： 无源器件:
电阻 电容 电感 互连线 传输线
有源器件:
各类晶体管
2018/10/24
§ 3.1 集成电阻器 § 3.2 集成电容器 § 3.3 电感
1
§ 3.1
集成电阻器
基区扩散电阻 低阻类电阻 发射区扩散电阻 高阻类电阻 基区沟道电阻 高精度电阻 离子注入电阻
2018/10/24
2
3.1.1基区扩散电阻
L W
R+
R-
Vcc
L R RS W
2018/10/24 3
薄层电阻几何图形
L L R ＝R□· W hW
2018/10/24 4
薄层电阻的几何图形设计
金属 扩散区 (a) (b)
≈ ≈ ≈ ≈ ≈ ≈
(c)
★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。
2018/10/24
无源元件
L W 0.55 x jc 2k1 nk2 )
n
基区扩散电阻 （Rs=100-200 / )
8
L R R 2 k 1 nk 2 W eff Weff是有效条宽 即设计条宽＋横向扩散引起的展宽 Weff＝W＋mXjc m一般取0.55， 故Weff＝W＋0.5Xjc k1是端头修正因子，一般取0.35-0.65 n是拐角个数， k2是拐角修正因子（一般取0.5）
一般材料纯度在99.9％已认为很高了，有0.1％的杂 质不会影响物质的性质。而半导体材料不同，纯净 的硅在室温下：＝21400Ω · cm • 如果在硅中掺入杂质磷原子，使硅的纯度仍保持为 99.9999％。则其电阻率变为：＝0.2Ω · cm。因此， 可利用这一性质通过掺杂质的多少来控制硅的导电 能力。
20
双层多晶硅MOS电容器
•电容的上下两极为掺杂 多晶硅，整个电容通过场 氧和衬底隔开，寄生参数 很小，电容精度较高
21
金属膜互连 扩散区互连 多晶硅连线
22
•金属膜互联 铝连线应注意以下问题： 1）长引线的电阻 2）大电流密度的限制
3）硅铝互熔问题
23
1）长引线的电阻
注意以下问题即可：
•一般铝线的电阻是很小的，但是铝 膜太薄或线太长、太窄时，要考虑 其电阻 •一般铝线的厚度1.2um左右
这种电阻的阻值一般较高， W 精度较低
L
SiO2
R Rs , poly si
( LefLeabharlann ) WSi Leff16
•MOS管形成的电阻
在MOS电路中常常用MOS管形成的电阻，它 所占用的芯片面积比其它电阻要小很多，但是它 是一个非线性电阻器。
17
C
n
基区扩散电阻 （Rs=100-200 / )
8
L R R 2 k 1 nk 2 W eff Weff是有效条宽 即设计条宽＋横向扩散引起的展宽 Weff＝W＋mXjc m一般取0.55， 故Weff＝W＋0.5Xjc k1是端头修正因子，一般取0.35-0.65 n是拐角个数， k2是拐角修正因子（一般取0.5）
一般材料纯度在99.9％已认为很高了，有0.1％的杂 质不会影响物质的性质。而半导体材料不同，纯净 的硅在室温下：＝21400Ω · cm • 如果在硅中掺入杂质磷原子，使硅的纯度仍保持为 99.9999％。则其电阻率变为：＝0.2Ω · cm。因此， 可利用这一性质通过掺杂质的多少来控制硅的导电 能力。
20
双层多晶硅MOS电容器
•电容的上下两极为掺杂 多晶硅，整个电容通过场 氧和衬底隔开，寄生参数 很小，电容精度较高
21
金属膜互连 扩散区互连 多晶硅连线
22
•金属膜互联 铝连线应注意以下问题： 1）长引线的电阻 2）大电流密度的限制
3）硅铝互熔问题
23
1）长引线的电阻
注意以下问题即可：
•一般铝线的电阻是很小的，但是铝 膜太薄或线太长、太窄时，要考虑 其电阻 •一般铝线的厚度1.2um左右
这种电阻的阻值一般较高， W 精度较低
L
SiO2
R Rs , poly si
( LefLeabharlann ) WSi Leff16
•MOS管形成的电阻
在MOS电路中常常用MOS管形成的电阻，它 所占用的芯片面积比其它电阻要小很多，但是它 是一个非线性电阻器。
17
C
集成电路中的无源元件
2018/10/18 15
(1)设计规则决定的最小扩散条宽 WR,min 设计规则是从工艺中提取的、为保证一定成品率而规定的 一组最小尺寸。
常用集成电阻器
基区扩散电阻 发射区扩散电阻、埋层扩散电阻 基区沟道电阻、外延层电阻 离子注入电阻 多晶硅电阻、MOS电阻
2018/10/18
5
3.1.1 基区扩散电阻
掺杂半导体具有电阻特性 ， 不同的掺杂浓度具有不同的电阻
率，利用掺杂半导体所具有的电
阻特性，可以制造电路所需的电 阻器。
2018/10/18 修正因子 k2=0.5。 11
横向扩散修正因子
横向扩散修正因子m主要考虑以下两个方面： （1）由于存在横向扩散，所以基区扩散电阻在表面处 最宽，即 W S W 2 0.8 x jc 。 （2）杂质浓度在横向扩散器表面 与扩散口正下方的表面区域不同， 其浓度由扩散窗口处Ns（≈6x1018 cm-3）逐步降低到外延层处的Nepi （≈1015～1016cm-3）.
知道掺杂区的方块电阻→根据所 需电阻的大小计算出需要多少方
p
P型扩散层 （电阻）
n
块→根据精度要求确定电阻条的
宽度 →得到电阻条的长度。
基区扩散电阻 （Rs=100-200 / )
L w
氧化膜
VCC n
p
P型扩散层 （电阻）
上式的计算结果是比较粗糙的， 实际的计算中要考虑以下几方面： 1. 端头修正 2. 拐角修正因子 3. 横向扩散修正因子 4. 薄层电阻值Rs的修正
正因子的经验数据，对 于大电阻L≫W情况， 端头对电阻的贡献可以 忽略不计。
2018/10/18
Hale Waihona Puke 10拐角修正在设计大电阻时，通常将电阻设计 成折叠形式，如图所示。
(1)设计规则决定的最小扩散条宽 WR,min 设计规则是从工艺中提取的、为保证一定成品率而规定的 一组最小尺寸。
常用集成电阻器
基区扩散电阻 发射区扩散电阻、埋层扩散电阻 基区沟道电阻、外延层电阻 离子注入电阻 多晶硅电阻、MOS电阻
2018/10/18
5
3.1.1 基区扩散电阻
掺杂半导体具有电阻特性 ， 不同的掺杂浓度具有不同的电阻
率，利用掺杂半导体所具有的电
阻特性，可以制造电路所需的电 阻器。
2018/10/18 修正因子 k2=0.5。 11
横向扩散修正因子
横向扩散修正因子m主要考虑以下两个方面： （1）由于存在横向扩散，所以基区扩散电阻在表面处 最宽，即 W S W 2 0.8 x jc 。 （2）杂质浓度在横向扩散器表面 与扩散口正下方的表面区域不同， 其浓度由扩散窗口处Ns（≈6x1018 cm-3）逐步降低到外延层处的Nepi （≈1015～1016cm-3）.
知道掺杂区的方块电阻→根据所 需电阻的大小计算出需要多少方
p
P型扩散层 （电阻）
n
块→根据精度要求确定电阻条的
宽度 →得到电阻条的长度。
基区扩散电阻 （Rs=100-200 / )
L w
氧化膜
VCC n
p
P型扩散层 （电阻）
上式的计算结果是比较粗糙的， 实际的计算中要考虑以下几方面： 1. 端头修正 2. 拐角修正因子 3. 横向扩散修正因子 4. 薄层电阻值Rs的修正
正因子的经验数据，对 于大电阻L≫W情况， 端头对电阻的贡献可以 忽略不计。
2018/10/18
Hale Waihona Puke 10拐角修正在设计大电阻时，通常将电阻设计 成折叠形式，如图所示。
集成电路中的有源与无源器件
硅片制造厂的分区概述
扩散 扩散区一般认为是进行高温工艺及薄膜淀积的区域，扩散区的主要 没备是高温扩散炉和湿法清洗设备。高温扩散炉可以在近1200℃的高温下 工作，并能完成多种工艺流程，包括氧化、扩散、淀积、退火以及合金。 湿法清洗设备是扩散区中的辅助工具。硅片在放人高温炉之前必须进行彻 底地清洗，以除去硅片表面的沾污以及自然氧化层。 光刻 使用黄色荧光管照明使得光刻区与芯片厂中的其他各个区明显不同。 光刻的目的是将电路图形转移到覆盖于硅片表面的光刻胶上。光刻胶是一 种光敏的化学物质，它通过深紫外线曝光来印制掩膜版的图像。光刻胶只 对特定波长的光线敏感，例如深紫外线和白光，而对黄光不敏感。光刻区 位于硅片 厂的中心。因为硅片从硅片制造厂的所有其他区流入光刻区。由 于在光刻过程中缺陷和颗粒可能进入光刻胶层，沾污的控制 显得格外重要。 光刻掩膜版上的缺陷以及步进光刻机上的颗粒 能够复印到所有用这些设备 处理的硅片上 。
CMOS制作步骤
形成n阱的5个主要步骤：
(1)外延生长 硅片在到达扩散区之前已经有了一个薄的外延层。外延层与衬 外延生长 底有完全相同的晶格结构，只是纯度更高，晶格缺陷更少而已。外延层已经 进行了轻的p型杂质（硼）掺杂。 (2)原氧化生长 硅片漂洗、甩干之后放人高温（1000℃）炉中。工艺腔中通 原氧化生长 入氧气使之与硅发生反应，得到大约150Å的氧化层。这一氧化层主要有以下 作用：1）保护表面的外延层免受沾污，2）阻止了在注入过程中对硅片过度 损伤，3）作为氧化物屏蔽层，有助于控制注人过程中杂质的注人深度。 (3) 第一层掩膜，n阱注人 预处理硅片的上表面涂胶、甩胶、烘焙。传送装 第一层掩膜， 阱注人 置将经过涂胶处理的硅片每次一片地送入对准与曝光系统。光刻机将特定掩 膜的图形直接刻印在涂胶的硅片上。曝光后的硅片用显影液喷到硅片上时， 图形第一次显现出来。显影后的硅片再次烘焙，并在转人离子注入区前进行 检测。
第3章集成电路中的无源元件(半导体集成电路共14章)共57页
Ws
拐角扩散区近似为以xjc
为半径的圆柱体的1/4。
2. 杂质浓度在横向扩散 区表面与扩散窗口正下
Weff
W
P+
P
xjc
N-epi
N+-BL
SiO2 P+
方的表面区域不同，其
浓度由扩散窗口处的NS
P-SUB
逐步降低，到达PN结处
基区扩散电阻的横截面
的杂质浓度为Nepi。
假定横向扩散区的纵向杂质分布与扩散窗口下方相同，则对于基
0.8
0.9
5μm
0.9 Le
0.3
We W
20 μm 30 μm 50 μm
0.1 约0 约0
不同电阻条宽和端头形状的端头修正因子
2020/5/28
13
(2)拐角修正因子
对于一些大电阻，为了充分利用面积和布图方 便，通常将他们设计成图所示的折叠形式，但在其
拐角处电力线是
不均匀的。实测表明，
L1
W
每个拐角对电阻的贡
W
献相当于0.5方，即拐
W=L2
角修正因子k2=0.5方。 此时，电阻长度为
W
L3
L=L1+L2+L3
拐角修正
2020/5/28
15
(3)横向扩散修正因子m
横向扩散因子主要考虑以下两个因素：
1. 由于存在横向扩散，在表面处最宽，表面处的基区宽度WS为
WS≈W+2×0.8xjc
Metal contact Film type resistor
Metal contact
SiO2, dielectric material
SiO2, dielectric material
精品课程 IC原理 第3章 集成电路中的无源元件
电路保护
防止过电压：无源元件可以限制电压，防止电路过电压损坏 防止过电流：无源元件可以限制电流，防止电路过电流损坏 防止电磁干扰：无源元件可以屏蔽电磁干扰，保护电路正常工作 提高电路稳定性：无源元件可以提高电路的稳定性，减少电路故障的发生
电路控制
电阻：控制电流 大小，保护电路
电容：存储电荷， 稳定电压
品牌与供应商：选择信誉良好的品牌和供应商，保证产品 质量和售后服务
设计方法
确定无源元件的类型和规格 考虑电路的工作频率和信号特性 计算无源元件的参数和性能指标
考虑无源元件的封装和安装方式 考虑无源元件的成本和可靠性 考虑无源元件的测试和验证方法
参数计算
阻抗匹配：确保信号传输的稳定性和效率 频率响应：选择适合工作频率范围的无源元件 功率损耗：计算无源元件的功率损耗，确保其不会过热 寄生参数：考虑无源元件的寄生参数，如寄生电容和寄生电感，以优化电路性能
集成电路中的无源元件
汇报人：XX
汇报时间：20XX/XX/XX
YOUR LOGO
目录
CONTENTS
1 单击添加目录项标题 2 无源元件的类型 3 无源元件在集成电路中的作用 4 无源元件的特性 5 无源元件的选用与设计 6 无源元件的发展趋势
单击此处添加章节标题
无源元件的类型
电阻
电阻是集成电路中的基本无源元件之一
YOUR LOGO
新材料与新工艺的应用
碳纳米管：具有优异的导电性和热导率，可应用于集成电路中 石墨烯：具有高导电性和高热导率，可应用于集成电路中 3D打印技术：可实现复杂结构的无源元件制造，提高生产效率 纳米技术：可实现无源元件的微型化和高性能化，提高集成度
THNK YOU
汇报人：XX
第三章 集成电路中的有源无源元件
漏 － 源 极 电 流
MOSFET的特性伏安曲线
Ids 线性区
饱和区 击穿区
0
Vds
漏－源极压降
3.5.无源元件：电阻、电容
集成电阻电容优点： 集成电路中的电阻、电容制 作工艺与NPN（或MOS管）兼容，与元件间的匹 配及温度跟踪较好。 缺点：（1）精度低 （2）温度系数大 （3）可制作的范围有限，不能太大也不 能太小 （4）占用芯片面积大，成本高。
第三章 集成电路中的有源无源元件
集成电路中的有源元件包括：二极管、三 极管（双极型晶体管）、MOS管（单极型 晶体管）等 集成电路中的无源元件包括:互连线、电阻、 电容、电感、传输线等
本章主要内容： 1.二极管 2.三极管 3.肖特基势垒二极管（SBD）、肖特基箝位 晶体管（SCT） 4.MOS管（简介，以后章节将详细介绍） 5.无源元件：电阻、电容 6.寄生效应
阻值修正： 1）端头修正 2）拐角修正 3）横向扩散修正 4）薄层电阻值RS的修正
2.基区扩散电阻最小条宽 WR, min 的设计 1）由设计规则决定的最小条宽 2）由工艺水平和电阻精度要求所决定的最小条宽 3）由流经电阻最大电流决定的条宽
3.其他常用的集成电阻器(P55) 1）发射区扩散电阻 2）隐埋层电阻 3）基区沟道电阻 4）外延层电阻（体电阻） 5）离子注入电阻 6）MOS集成电路中常用电阻(P59) 多晶硅电阻 MOS管形成电阻
阻值范围：
其他电阻： 1）发射区扩散电阻：低阻 2）基区沟道电阻：高阻 3）离子注入电阻：高精度电阻
1.基区扩散电阻的结构：
利用集成晶体管的基区扩散层（P型扩散区）做成
P型扩散区
B
p
E
n+ n+ Buried Layer p-
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⎛ πl ⎞ 1 C= tan⎜ ⎟ ⎜λ ⎟ 2πfZ 0 ⎝ g⎠
4 环形电感器
) 用于MMIC的初期 ) 占用芯片面积大，使芯片的有效利用率很低
4 螺旋电感器
DF:daphige@ 章六：射频电阻、电容、电感
螺旋电感
DF:daphige@
章六：射频电阻、电容、电感
单空气桥 多空气桥 全空气桥 过孔通道
DF:daphige@
章六：射频电阻、电容、电感
影响平面螺旋电感Q值的因素
DF:daphige@
章六：射频电阻、电容、电感
DF:daphige@
章六：射频电阻、电容、电感
DF:daphige@
第六章 射频电路中的无源器件1 --电阻、电容、电感
2009-12-28
电阻
DF:daphige@
章六：射频电阻、电容、电感
电阻器的性质
DF:daphige@
章六：射频电阻、电容、电感
电阻器的材料
DF:daphige@
章六：射频电阻、电容、电感
章六：射频电阻、电容、电感
电感器的形式
4 带状电感器
) 要获得电感量高和寄生电容量低的微带带状电感器，宜采用高特 征阻抗的窄带线 ) 带状电感器的电感量被限制在小于1nH的量级 ) 它是一种寄生参量小、相对较“纯”的电感器 ) 通常用在要求大带宽的分布式放大器中
⎛ 2πl ⎞ Z ⎟ L = 0 sin ⎜ ⎜ ⎟ 2πf ⎝ λg ⎠
章六：射频电阻、电容、电感
电容
DF:daphige@
章六：射频电阻、电容、电感
电容的形式
4 重叠式电容，三明治结构（容值高）
空气桥 过孔通道 直接连通（缺点：尖锐，降低击穿电压）
)在实现要求大电容值的隔直流模块和去耦电路时特别 重要
4 交指型
)不超过1pF )电容值和误差收图形的影响，精度高 )适合用作要求电容量小而量值精确的场合，比如：调 谐、耦合和匹配元件
砷化镓工艺中的电阻
DF:daphige@
章六：射频电阻、电容、电感
电阻设计
4平面电阻率已知，通过纵横比来确定 4尺寸要求还受到精度（公差）和容量（功 率）限制
)电阻的公差受接触衬垫的影响显著 )增大接触衬垫可以减小公差，但会增加寄生电 容，制约电阻的使用频率上限。
DF:daphige@Biblioteka
平面螺旋电感模型
DF:daphige@
章六：射频电阻、电容、电感
DF:daphige@
章六：射频电阻、电容、电感
螺旋电感的形式
4 蜿蜒型轨道
)相邻轨道上的电流方向相反，降低了总电感量
4 螺旋形轨道
)优点：相邻轨道上的电流方向相同，轨道间的互感显 著增大了总电感量。比蜿蜒形的品质因数高。 )缺点：要连接中心线圈到外部电路，从而必须使用空 气桥横跨式结构或者电介质隔离的地下通道
DF:daphige@ 章六：射频电阻、电容、电感
电容的误差
DF:daphige@
章六：射频电阻、电容、电感
电感
DF:daphige@
章六：射频电阻、电容、电感
电感的发展
DF:daphige@
章六：射频电阻、电容、电感
4 环形电感器
) 用于MMIC的初期 ) 占用芯片面积大，使芯片的有效利用率很低
4 螺旋电感器
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螺旋电感
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章六：射频电阻、电容、电感
单空气桥 多空气桥 全空气桥 过孔通道
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章六：射频电阻、电容、电感
影响平面螺旋电感Q值的因素
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章六：射频电阻、电容、电感
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第六章 射频电路中的无源器件1 --电阻、电容、电感
2009-12-28
电阻
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章六：射频电阻、电容、电感
电阻器的性质
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章六：射频电阻、电容、电感
电阻器的材料
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章六：射频电阻、电容、电感
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电感器的形式
4 带状电感器
) 要获得电感量高和寄生电容量低的微带带状电感器，宜采用高特 征阻抗的窄带线 ) 带状电感器的电感量被限制在小于1nH的量级 ) 它是一种寄生参量小、相对较“纯”的电感器 ) 通常用在要求大带宽的分布式放大器中
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章六：射频电阻、电容、电感
电容
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电容的形式
4 重叠式电容，三明治结构（容值高）
空气桥 过孔通道 直接连通（缺点：尖锐，降低击穿电压）
)在实现要求大电容值的隔直流模块和去耦电路时特别 重要
4 交指型
)不超过1pF )电容值和误差收图形的影响，精度高 )适合用作要求电容量小而量值精确的场合，比如：调 谐、耦合和匹配元件
砷化镓工艺中的电阻
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章六：射频电阻、电容、电感
电阻设计
4平面电阻率已知，通过纵横比来确定 4尺寸要求还受到精度（公差）和容量（功 率）限制
)电阻的公差受接触衬垫的影响显著 )增大接触衬垫可以减小公差，但会增加寄生电 容，制约电阻的使用频率上限。
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平面螺旋电感模型
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章六：射频电阻、电容、电感
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章六：射频电阻、电容、电感
螺旋电感的形式
4 蜿蜒型轨道
)相邻轨道上的电流方向相反，降低了总电感量
4 螺旋形轨道
)优点：相邻轨道上的电流方向相同，轨道间的互感显 著增大了总电感量。比蜿蜒形的品质因数高。 )缺点：要连接中心线圈到外部电路，从而必须使用空 气桥横跨式结构或者电介质隔离的地下通道
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电容的误差
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电感
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电感的发展
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章六：射频电阻、电容、电感