第04章集成电路无源器件电感及其版图
第03章集成电路无源器件电容及其版图
7) 下图为用作 MOS 电容的 NMOS 器管曲线。
四、电容的失配及匹配
1. 电容的失配
电容的失配来源于工艺偏差、接触电阻、电流不均匀流动、扩散相互影响、机械应力、 温度梯度以及其他因素。下面是一些主要的失配因素： 1) 随机变化 所有器件在尺寸和结构上都表现为微观的不规则性。这些不规则性范围内为两大 类： 一类只能发生在边缘， 称为边变化； 另一类则发生在整个器件上， 称为面变化。 大部分集成器件匹配主要取决于面变化。
2.
MOS 电容
1) MOS 晶体管可用作电容，但其轻掺杂背栅会使寄生电阻增大。使用在重掺杂扩散区上 形成薄层氧化物介质能收到很好的效果。有时会采用标准双极工艺制作 MOS 电容，其 下极板通过发射扩散区实现。
2) 用作电容的 MOS 管有很大的串联电阻，这主要与下级板有关。这个电阻可以通过使用 足够短的沟道长度实现最小化。
对于电容，任意两个电容 C1，C2 间的失配为： 匹配电容中较小者对失配起主要作用。
2) 工艺偏差
硅片上生产出来的图形尺寸不会与版图数据的尺寸完全匹配，因为在光刻、刻蚀、 扩散和离子注入过程中图形会收缩或扩张。 图形的绘制宽度与实际测量宽度之差构 成了工艺偏差。 工艺偏差也会对电容引入系统失配。
可以通过下式近似求得： 3) 相对介电常数取决于介质本身的特性。下表列出了集成电路中常用的几种材料的相对介 电常数。
二、集成电容版图
1. 发射结电容
1) 结电容通常作在隔离岛内，隔离岛必须制作接触以确保集电结反偏，该接触也是的集电 结和发射结并联，从而增大了总电容。
2) 上图中的电容由两套从中部公共隔离岛/发射区接触伸出的叉指组成， 这种布局有助于减 小叉指长度和寄生电阻。 3) 在 BiCMOS 工艺中，可在 P 型外延层中制作基区-NSD 结电容。 4) 虽然结处在微弱的正偏状态能得到更大的电阻值，但是在高温下很难防止导电。虽然某 些电路结构确实采用正偏的 PN 结对结电容两端的电压进行箝位，但大多数结电容都会 一直保持反偏状态。 5) 结电容的击穿电压通常很小。标准双极发射结电容的雪崩击穿电压为 6.8V。 6) 通过在发射区上覆盖金属板形成电容器的方法可以略微增大结电容的值。 7) 发射区-隔离区漏电不严重的工艺可以把发射区直接做在隔离区上形成结电容。
半导体集成电路05无源器件
WR，min
|
W
| |
|
10m
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PA，max 5106W / m2
电阻单位面积的功耗为：PA
I 2RS W2
WR，min IMAX
RS PA，MAX
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•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/ )
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•基区扩散电阻
氧化膜
p
P型扩散层 （电阻）
n
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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
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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
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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
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集成电阻器 集成电容器
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四章光波系统的无源器件ppt课件
几种微光元件型耦合器。
（a）由微型透镜L和半反半透镜M组合而成。
– 光束由光纤1输入后，经凸透镜L变成平行光，一部
分平行光透过M后，经L聚焦并耦合到光纤2，另一
部分平行光被M反射后，经L会聚并耦合到光纤3。
由于光传播的可逆性，这种分光耦合器同时也是合
光耦合器。分立光学元件组合而成的光耦合器，耦
合机理简单、直观，但存在损耗大、与光纤线路耦
端面对接连接器的插针端面的接触型式对光纤连接性能影响很大。由于存在
公差，平面型接触的两端面会有空隙，因玻璃纤维和空气折射率的不同而引 起多次反射，这种反射称为菲涅尔（Fresnel）反射。菲涅尔反射既增加损耗， 而且反射回波将使光源输出不稳定，造成光脉冲波形畸变，增加误码率。
因此，端面设计的出发点是缩小端面间隙（实际上，当光纤端面间隙小于λ/4 时，由于干涉效应，菲涅尔反射基本消除），并使部分反射光旁路，以增大
LiNb O3 衬底
扩Ti后形成 光波导
图5-13 Y形光波导耦合器
光纤耦合器 是实现光信号分路/合路的功能器件。 图3-3表示了波导型分支器的结构
它是一种Y型分支，由一根芯线一端输入的光可用它加以等分。
图3-4为拼接式原理图
拼接式结构是将光纤埋入玻璃块中的弧形槽中，在光纤侧面进行 研磨抛光，然后将经抛磨的两根光纤拼接在一起，靠透过纤芯和 包层界面的消失场产生耦合。
..
图 4.1.2 FC 光纤活动连接器外形结构图
图 4.1.3 FC 光纤活动连接器实物图片
FC型连接器结构采用插头——转接器——插
头的螺旋耦合方式。根据其插针端面形状的不 同 ， 它 分 为 固 定 光 纤 端 面 的 平 面 接 触 FC、 球 面接触的FC/PC和斜球面接触的FC/APC结构， 后两种有利于减少插针端面的反射损耗。
电子元件之无源器件
主要特性：良好的稳定性：电压的改变对阻值的影响极小，且具有负温度 系数。 高频特性好：可制成高频电阻器和超高频电阻器。固有噪声电动 势小：在10UV/V以下。应用范围广泛：适用于交流、直流和脉冲电路。
2.金属膜电阻（RJ）
陶瓷管架上用真空蒸发或烧 渗法形成金属膜（镍铬合 金）。
主要特点：功率负荷大： 体 积小。温度系数小，电流 噪声小。耐热，稳定性能 高，高频特性好。精度高： 0.05％～0.5％。阻值范围 宽：1Ω～620MΩ。
电阻的分类:
电阻符号
按阻值特性:固定电阻、可调电阻、特种电阻。
按用途分：普通型、精密型、功率型、高压型、高阻型、高频型、 保 险型。
按制造材料:碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻等. 按安装方式: 插件电阻、贴片电阻.
1.碳膜电阻器（RT）：
在陶瓷管架上高温沉积碳氢化合物的电阻材料，并在其表面涂上环氧树脂 密封保护而成的。
按输出函数特性：可分为线性电位器和非线性电位器。其中非线性有对数式 （D型）与指数式（Z型）之分
常 见 电 位 器
电阻器的型号命名
国产电阻器的的型号由四部分组成，第一部分是主称，用R表示，第二部 分代表电阻体的材料，第三部分代表类别，第四部分代表类别序号。
RJ
6
1
产品序号，用数字表示，区别外形尺寸；J：金属膜；X：线绕。） 主称，（用字母，R:电阻；W:电位器；M:敏感电阻。）
其中前两位表示两位有效数字，第三位数字 N表示应乘以的倍率，即把前两位数乘以10 的N次方，阻值小于100Ω时直接用两位数标 志。读出单位都是Ω，≥1000Ω时应化为KΩ， ≥1000KΩ时应化为MΩ。
数码直标电阻
如：56表示56Ω；101表示10乘以10的1次方等于100Ω；223表示22乘 以10的3次方，即22KΩ；105不是105Ω而是1MΩ等等。
集成电路中无源元件
n
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集成电路中无源元件
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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/ )
R
Rs
L W
L、W为电阻器的长度和宽度
Rs（或R□）是掺杂半导体薄层的 薄层电阻，又称方块电阻. L/W是电阻所对应的图形的方数。 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 块→根据精度要求确定电阻条的 宽度 →得到电阻条的长度。
RRs(W a0L .5x5j c2k1n2k)
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集成电路中无源元件
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小阻值电阻可采用胖短图形： L
R Rs W 一般阻值电阻可采用瘦长图形 对大阻值电阻可采用折叠图形：
RR(W s 0L .5x 5jc2k1n2 k)
当L»W时，可不考虑k1; 当W»xjc 时，可不
(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
电阻的宽度越大，则占用的面积越大。因此，如何设计满 足电路性能的电阻最小条宽就显得很重要。
基区扩散电阻的最小条宽受三个因素的影响：设计规则，工 艺水平和电阻精度、流经电阻的最大电流。
在设计电阻最小条宽WR,min 时，应取上述三个因素确定的 最小电阻条宽中最大的一种。下面分别对它们作简单的介绍。
2021/3/24
是一个正方形
但这个正方形不能作为一个电阻方
来计算，这是因为在拐角处的电流密
度是不均匀的，靠近内角处的电流密
度大，靠近外角处的电流密度小。
经验数据表明，拐角对电阻的贡献只有0.5个方块数，即拐角
第四章无源光器件分析ppt课件
光纤连接器 fiber optic connector 又称光纤活动连接器，俗称活动接头，用
于设备与光纤之间的连接。 光纤连接器的作用是将需要连接起来的单
根或多根光纤芯线的断面对准、贴紧，并能多 次使用。
光纤连接器在工艺上应满足的条件： 1）连接损耗要小于 0.5dB； 2）装、拆方便，重复性好； 3）体积小，成本低等。 光纤连接器轴心偏离、有夹角会引起大的损耗。
如下图所示，可分为棱镜型，多层电介质 干涉膜（干涉膜滤波器）型以及衍射光栅型等 几种类型。
2024/8/1
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在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
光合波器和光分波器的类型
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在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
它们在系统中各起着光学连接、光功率分 配、光波分复用、光信道切换及光信息的衰减、 隔离和调制等。由此看来，无源光器件在光纤通 信系统中起着重要的作用。本讲仅介绍几种常用 的无源光器件的原理及性能。
2024/8/1
2
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
使用连接器进行光纤接续，由于菲涅耳反射等原因，对信 号产生不良影响。为了防止菲涅耳反射，设法把反射光的入射 角余角调整到大于临界角余角，使反射光进入包层并最终泄漏 出去。为此把连接器的管芯端面按8°进行倾斜研磨，就可以 实现。另外一种方法就是去掉连接之间的间隙。为此使管芯端 面间处于紧贴而不留一丝隙缝。通常把这种连接器叫做 PC (Physical Contact) 型连接器。 实际使用的PC型连接器如图所 示，把套管端面研磨成球面。 PC接续的反射很小，它的反射 损耗可达25dB以上。如果经 过精密加工研磨，就可将反射 损耗指标提高到40dB以上。
列举集成电路中常用的无源器件和有源器件
列举集成电路中常用的无源器件和有源器件
哎呀，各位朋友，今儿咱来摆摆龙门阵，说说集成电路里头那些个常用的无源器件和有源器件。
咱们就用四川话、贵州话、陕西话和北京话，混搭着来，看看能不能把这事儿说清楚。
咱先从无源器件开始说。
这无源器件啊，就像咱们贵州的酸菜鱼，虽然看着平淡无奇，但没了它，那味道就少了点啥。
就像电阻，它就像那酸菜，虽然不起眼，但电路里头少了它，那电路就转不动了。
电容呢，就像那鱼，存得住电，放得出来，才能让电路运行得更稳当。
电感则是那汤底，虽然看不见摸不着，但没了它，那味道就少了点醇厚。
再说说有源器件。
有源器件啊，就像咱们陕西的油泼面，有了油、面、调料，那味道才叫一个香。
二极管就像那辣椒，虽然有点辣，但正是这点辣，让电路有了方向性。
三极管就像那面条，能放大电流，让电路更加强劲。
而集成电路里的那些个放大器、振荡器，就像那油泼面的调料，让电路的功能更加丰富多样。
咱再说说北京话儿。
无源器件和有源器件，这就好比咱老北京的炸酱面，那炸酱就是有源器件，给面条儿添味儿；面条儿就是无源器件，承载着炸酱的味道。
少了炸酱，面条儿就没那么有味儿了；少了面条儿，那炸酱也没地儿去了。
所以说啊，这无源器件和有源器件，在集成电路里头，那就是一个都不能少。
哎呀，今儿咱这混搭方言说了这么多，也不知大家听明白了没。
总之啊，集成电路里头这些个无源器件和有源器件，都是各有各的用处，少了哪个都不行。
咱们得好好了解它们，才能让电路运行得更稳当、更顺畅。
《集成电路设计》PPT课件
薄层电阻
1、合金薄膜电阻
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： 钽 Ta 镍铬Ni-Cr 氧化锌 ZnO 铬硅氧 CrSiO
2、多晶硅薄膜电阻
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。
3、掺杂半导体电阻
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。
sio2
半导体
串联 C=
Ci Cs Ci +Cs
Tox
N+
P
sio2
金 属
PN金+sio属2
纵向结构
横向结构
MOS 电容电容量
ε ε Cox=
A 0 sio2
Tox
Tox: 薄氧化层厚度；A: 薄氧化层上 金属电极的面积。
一般在集成电路中Tox 不能做的太薄，所以要想提高电容量，只能增加面积。 N+层为 了减小串联电阻及防止表面出现耗尽层。
Csub s
（b）
（c）
§ 4.3 集成电路的互连技术和电感
互连线
单片芯片上器件之间互连：金属化工艺，金属铝 薄膜 电路芯片与外引线之间的连接(电路芯片与系统的 互联)：引线键合工艺
为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。
各种互连线设计应注意的问题
为减少信号或电源引起的损耗及减少芯片 面积，连线应尽量短。
第四章
集成电路设计
第四章
集成电路是由元、器件组成。元、器件分为两大类：
无源元件 电阻、电容、电感、互连线、传输线等
有源器件 各类晶体管
集成电路中的无源源件占的面积一般都比有源器件大。 所以设计时尽可能少用无源元件，尤其是电容、电感和大阻值的电阻。
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第二章 无源器件电感及其版图
学习指导
学习目标与要求
1．了解集成电路中无源器件的分类；
2．了解集成电路中无源器件版图定义、内涵及实质，掌握集成电路中无源器件版图的特点；
3．掌握集成电路中无源器件电感的特性、不同类型电感版图设计及电感版图的失配及匹配的设计技巧；
4．基本掌握集成电路中无源器件电感版图设计方法；
学习重点
1．集成电路中无源器件电感的特性、不同类型电感版图设计及电感版图的失配及匹配的设计技巧
学习难点
1．电感版图的失配及匹配的设计技巧
一、电感类型及版图
1.电感
1）流过导体的电流会在导体周围产生磁场。
随着电流的变化，能量流入或流出这个磁场，
这些能量流沿着导体产生压降。
电流和电压关系可以定量的表示为：。
其中，L是比例常数，称为电感。
2）电感器是用于提供精确电感值的电路元件。
3）国际单位制定义亨利（H）为电感的标准单位。
2.电感类型及版图
1）最简单的电感由圆环形导线构成。
图A。
2）将多个导线环逐层堆叠起来形成螺旋状的结构，称为线圈。
图B。
，此式可用来计算圆环电感。
3）线圈很难集成，所以人们已开发出一种替代结构，称为平面电感。
平面电感有螺旋线和连接到内部的抽头构成。
平面电感分为圆形，八边形和方形结。
下图为版图。
，此式可用来计算八边形或方形平面电感。
4）圆环结构不能产生大电感，分立电感克服上述困难的方法是采用线圈。
5）在线圈中每圈导线称为一匝，每匝产生的磁场也会通过其他所有匝，称为磁耦合。
这种
耦合使得每匝的等效电感等于单匝电感值乘以匝数。
6）平面电感的圈数不如线圈匝数有效。
产生这种不足的原因：第一，平面电感的各圈直径不同，内圈直径较小因而电感值较小。
第二，大的外圈产生的磁场并不全部通过小的内圈，因此磁耦合产生的电感倍增效应减小。
7）制造多个电感，并使之发生磁耦合这样的结构称为变压器。
集成变压器很少使用。
二、电感寄生效应
1)在所有电感寄生效应中，涡流损耗可能最为麻烦。
2)电感产生的波动磁场会在附近的导体中产生循环电流，这些涡流会消耗磁场能量。
对整个电路的影响就像插入串联电阻引起的损耗。
集成电感中涡流损耗的大小取决
于下面的硅电阻率。
3)当硅电阻率小于10 Ω·cm时，就会产生明显的损耗。
4)避免涡流损耗的最简单的方法是把电感制作在轻掺杂硅表面。
5)下图为轻掺杂硅上制作的集成电感的简单集总模型。
6)电流集边效应使高频下电感的串联电阻Rs急剧增大。
趋肤效应是造成电流集边的
原因之一。
电感金属层产生的涡流效应也是造成电流集边的原因。
7)当超过临界频率时，电流集边效应会变得非常严重，该临界频率为：
8)对于一个内圈直径仅是等于1/3外圈直径的电感，有效串联电阻Rs等于：
9)使用品质因数（quality factor）或Q来量化电感的寄生效应。
Q定义为系统的最大
储能值与系统在一个周期内的能量损耗的比值，如果衬底有足够的电阻率，则可以
忽略寄生电容和衬底涡流，平面电感的品质因数变为：
10)品质因数的一般性原则：第一，寄生效应越小，Q越大；第二，Q值和频率相关。
三、集成电感版图设计准则
1）使用高电阻率的衬底
电阻率低于10 Ω·cm的衬底会产生严重的涡流损耗，从而降低品质因数。
如果可以选择电阻率，那么应选择尽可能高的电阻率。
2）尽可能采用最高金属层制作电感
电感的体区应该位于尽可能高的金属层中。
内圈的抽头通常制作在电感体区之下而不是之上。
这些措施有助于减小寄生电容。
3）考虑把两层或三层金属层结合在一起使用
如果工艺能够提供三层或四层金属，则应该考虑把两层或三层金属并联在一起制作电感体区。
使用通孔把几层金属连接在一起，这样可有效地降低金属的方块电阻，从而增加电感的Q值，避免使用一层金属制作电感，因为第一层金属距离硅太近。
4）使所有未连接的金属线远离电感
作为一条一般性原则，未连接的金属和电感的距离至少应该保持在电感金属线线宽的5倍以上。
这条规则有助于避免导体材料进入电感产生的磁场范围之内，从而使涡流损耗最小。
5）避免使用过宽或过窄的金属线
对于工作在1～3GHz下的电感，最优的宽度是在10 ～15um。
窄导线的串联电阻过大，而宽导线易受电流集边效应的影响。
6）使用尽可能窄的线圈间距
线圈间距越小，电感各线圈间的磁耦合越强，从而具有更大的电感值和更高的品质因数。
7）不要让线圈填满整个电感
螺旋金属产生的磁场在电感中部最强，如果在这个区域也制作线圈，那么就会产生电流损耗。
电感的内圈直径至少应等于5倍的电感金属线线宽。
对于大电感，内径至少等于外径的三分之一。
8）不要在电感的上面或下面放置金属板
如果将一个金属板放在电感上面或下面，则将提供形成涡流的机会。
金属板的面积越大，涡流也会变得越大。
在理想情况下，不能把金属放在电感上面或下面。
如果不可能（如在有填充金属的情况下），那么应该分割金属板：要么分成很多小块，要么在金属板上刻槽。
9）不要把结放在电感下面
结靠近电感会产生不希望的器件相互影响。
高频交流信号通过电感耦合到结上被整流，从而导致寄生损耗或者不希望的电流注入扩散区。
应用于未连接金属线的规则同样适用于PN结。
10）电感导线应该短而直
电感导线也会有寄生效应，所以导线的长度和面积应该尽可能减小。
导线应使用尽可能高的金属层制作以减小相对于衬底的寄生电容。
本章小结
本章介绍了集成电路中无源器件版图定义、内涵及实质。
本章重点学习了集成电路中无源器件电感的特性、不同类型电感版图设计及电感版图的失配及匹配的设计技巧，详尽介绍了电感值和单位电容概念，以及各种不同类型电感构成、特性效应及其版图特征。
本章集成电路中无源器件电感的特性、不同类型电感版图设计及电感版图的失配及匹配的设计技巧为主，需要重点理解及掌握。