集成电路中的有源及无源器件
《微电子与集成电路设计导论》第五章 集成电路基础
图5.2.10 与非门电路
图5.2.11-5.2.14 电路图
图5.2.15 与非门输出响应
当A、B取不同组合的 逻辑电平时，与非门 电路的输出响应如图 5.2.15所示。
2. 或非门电路
A=0,B=0
A=0,B=1
A=1,B=0
A=1,B=1
图5.2.16 或非门电路
图5.2.17-5.2.20 A=0，B=0时的电路图
性能指标：除增益和速度外，功耗、电源电压、线性度、噪声和最大 电压摆幅等也是放大器的重要指标。此外，放大器的输入输出阻抗将 决定其应如何与前级和后级电路进行相互配合。在实际中，这些参数 几乎都会相互牵制，一般称为“八边形法则”，茹右下图所示。
➢ 增益：输出量Xout与输入量Xin的比值
➢ 带宽：指放大器的小信号带宽。
特性参数相同，当电压翻转上升时，漏极电流
ID
Kn
W L
Vin
VTN
2
0
I
Imax
即一周期的平均电流
Imean
1 6
Kn
W L
1 VDD
VDD VTN
3
Tclk
综上，短路功耗最终为
Psc VDDImean
CMOS逻辑门电路
1.与非门电路
A=0,B=0
A=0,B=1
A=1,B=0
A=1,B=1
许的临界电平和理想逻辑电平之间的范围为 CMOS电路的直流噪声容限，定义为
VNH VOH VIH
VNL VIL VOL
图5.2.6 极限输出电平定义的噪声容限
（2）极限输出电平定义的噪声容限 根据实际工作确定所允许的最低的输出
高电平VOHmin，它所对应的输入电平定义为 关门电平VOFF；给定允许的最高的输出低电 平VOLmax，它所对应的输入电平定义为开门 电平VON。开门电平和关门电平与CMOS电 路的理想输入逻辑电平之间的范围就是 CMOS电路的噪声容限。如左图所示是反相 器的噪声容限 输入高电平噪声容限：
半导体集成电路05无源器件
WR，min
|
W
| |
|
10m
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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
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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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5
•基区扩散电阻
氧化膜
p
P型扩散层 （电阻）
n
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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
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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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1
集成电阻器 集成电容器
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数字集成电路复习必备知识点总结
1. 集成电路是指通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管、MOS管等有源器件和阻、电容、电感等无源器件，按一定电路互连，“集成”在一块半导体晶片（硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能的一种器件。
2.集成电路的规模大小是以它所包含的晶体管数目或等效的逻辑门数目来衡量。
等效逻辑门通常是指两输入与非门，对于CMOS集成电路来说，一个两输入与非门由四个晶体管组成，因此一个CMOS电路的晶体管数除以四，就可以得到该电路的等效逻辑门的数目，以此确定一个集成电路的集成度。
3.摩尔定律”其主要内容如下：集成电路的集成度每18个月翻一番/每三年翻两番。
摩尔分析了集成电路迅速发展的原因，他指出集成度的提高主要是三方面的贡献:（1）特征尺寸不断缩小，大约每3年缩小 1.41倍；（2）芯片面积不断增大，大约每3年增大 1.5倍；（3）器件和电路结构的改进。
4.反标注是指将版图参数提取得到的分布电阻和分布电容迭加到相对应节点的参数上去，实际上是修改了对应节点的参数值。
5.CMOS反相器的直流噪声容限:为了反映逻辑电路的抗干扰能力，引入了直流噪声容限作为电路性能参数。
直流噪声容限反映了电流能承受的实际输入电平与理想逻辑电平的偏离范围。
6. 根据实际工作确定所允许的最低输出高电平，它所对应的输入电平定义为关门电平；给定允许的最高输出低电平，它所对应的输入电平为开门电平7. 单位增益点.在增益为0和增益很大的输入电平的区域之间必然存在单位增益点，即dVout/dVin=1的点8. “闩锁”现象在正常工作状态下，PNPN四层结构之间的电压不会超过Vtg，因此它处于截止状态。
但在一定的外界因素触发下，例如由电源或输出端引入一个大的脉冲干扰，或受r射线的瞬态辐照，使PNPN四层结构之间的电压瞬间超过Vtg，这时，该寄生结构中就会出现很大的导通电流。
只要外部信号源或者Vdd和Vss能够提供大于维持电流Ih的输出，即使外界干扰信号已经消失，在PNPN四层结构之间的导通电流仍然会维持，这就是所谓的“闩锁”现象9. 延迟时间：T pdo ——晶体管本征延迟时间；UL ——最大逻辑摆幅，即最大电源电压；Cg ——扇出栅电容(负载电容)；Cw ——内连线电容；Ip ——晶体管峰值电流。
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。
有源器件的名词解释
有源器件的名词解释在现代电子学中，有源器件是指能够将能量供应给电路的器件，主要包括晶体管以及一些集成电路。
与之相对的是无源器件，无源器件没有内置能源，主要是指电阻、电容和电感等元件。
一、晶体管（transistor）晶体管是一种半导体器件，是现代电子学的重要组成部分。
它是由三层或两层PN结构组成的。
根据结构的不同，晶体管主要分为普通晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）两种。
1.1 普通晶体管（BJT）BJT有三个电极，即基极、发射极和集电极。
它主要通过控制电流或电压并放大信号。
普通晶体管有两种类型：NPN型和PNP型，它们之间的区别在于掺杂的材料不同。
NPN型中，N区（负掺杂）夹在两个P区（正掺杂）之间，而PNP型中，P区夹在两个N区之间。
普通晶体管的工作原理是：当一个小电流通过基极-发射极之间的结时，它控制着从集电极流出的大电流。
这种特性使得晶体管非常适合用来放大信号。
1.2 场效应晶体管（FET）FET是一种控制型的半导体器件，它由一个输出电流的源极，一个输入电流的栅极和一个载流子的漏极组成。
与普通晶体管不同的是，在FET中没有正负极之分。
FET的工作原理是通过调节栅极电压来控制漏极电流。
当栅极电压变化时，电场的强度也随之变化，从而改变了漏极电流。
因此，FET相比于普通晶体管在一些特殊的应用中具有更好的性能，比如低噪音放大器。
二、集成电路（IC）集成电路是一种将许多电子元件和器件集成在一个单一的芯片上的电子元器件。
它通过在硅片上制造电路，并将各个元件互连在一起，实现各种功能。
2.1 数字集成电路（Digital Integrated Circuit）数字集成电路主要由数字逻辑门电路构成。
它们主要用于处理和操作数字信号，如计算机和数字通信中的处理器、存储器和接口等。
2.2 模拟集成电路（Analog Integrated Circuit）模拟集成电路主要是用来处理和操作连续信号，比如声音、图像和电压等。
mos管有源电阻和无源器件
无源器件
在模拟集成电路中的无源器件主要是指电阻、 电容等，精密的电阻、电容是MOS模拟电路设计 所要求的主要基本元件，电阻或电容在电路应用 中最关键的是要提供精确的元件值，但在大多数 情况下，电阻或电容的绝对值不如它们的比值那 么重要。
无源器件
电阻
• 电阻是模拟电路的最基本的元件，在集成电路中 有多种设计和制造方法，并有无源电阻与有源电 阻之分。电阻的大小一般以方块数来表示，电阻 的绝对值为：
MOS器件物理
MOS管交流小信号模型
MOS管低频小信号模型 • 小信号是指对偏置的影响非常小的信号。 • 由于在很多模拟电路中，MOS管被偏置在饱和
区，所以主要推导出在饱和区的小信号模型。 • 在饱和区时MOS管的漏极电流是栅源电压的函
数，即为一个压控电流源，电流值为gmVGS， 且由于栅源之间的低频阻抗很高，因此可得到 一个理想的MOS管的小信号模型，如图所示。
无源器件－电容
多晶与体硅之间的电容（PIS）
• NMOS与CMOS多晶硅栅（金属栅）工艺实现，需要额外一次离
子注入来形成底板的n+重掺杂区，以多晶硅为上极板，二氧化硅
为介质，n+为下极板构成电容。
多晶硅
金属
n+
n+
薄热氧化层
n＋重掺杂
p
• 衬底必须接一个固定电位，此时多晶与体硅间的电容可认为是一
gm 2K NVDS
gd 2KN (VGS Vth ) 2 KN I DS • 所以此时的输出电阻值较小。
有源电阻
• 总之，当MOS管在电路中作有源电阻时， 一般栅接固定电位（接漏是一种特例）， 这时根据栅电压大小来判定MOS管的工作 区域（饱和区与三极管区），另外，输出 的端口是源端或是漏端，其呈现的阻抗也 不同。
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。
有源和无源
目录：一、有源和无源1、描述2、电路实例二、附录1、干接点与湿接点2、硬接点与软接点---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------一、有源和无源1、描述所谓有源就是指内部含有需要电源才能实现预期功能的元器件（或电路）；所谓无源就是不需要电源供电,自身就有相应功能的元器件（或电路）。
举几个例子：电阻、电容、电感都是无源器件,他们具备的功能（阻值、容值、电感值）是自带的特性,不需要电源就可以拥有。
三极管、集成电路都是有源器件,他们功能必须在供电情况下才可以存在,如果一块芯片,不供电,就无法发挥其固有的功能。
还有蜂鸣器,可以分成有源和无源两种,这个比较特殊.所谓有源蜂鸣器就是指内部含有一套谐振电路,在外部供电的情况下,蜂鸣器才能具备正常的发声功能.而无源蜂鸣器是没有这套电路的,只是两块压电陶瓷片,陶瓷片本身的功能不需要电源就可以具备,但要发声还必须外加电路并正常供电才有。
-----------------------------------------------------------2、电路实例--------------------------------有源Q型显示器说明：继电器有源输出无源Q型显示器说明：---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------二、附录1、干接点与湿接点干接点的定义：无源开关；具有闭合和断开的2种状态；2个接点之间没有极性，可以互换。
常见的干接点信号有：1）各种开关如：限位开关、行程开关、脚踏开关、旋转开关、温度开关、液位开关等2）各种按键3）各种传感器的输出，如：环境动力监控中的传感器：水浸传感器、火灾报警传感器、玻璃破碎、振动、烟雾和凝结传感器4）继电器、干簧管的输出湿接点的定义是：有源开关；具有有电和无电的2种状态；2个接点之间有极性，不能反接。
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哈尔滨工程大学
集成电路制造就是在硅片上执行一系列复杂的 化学或者物理操作。简而言之，这些操作可以分为 四大基本类：薄膜制作、光刻、刻蚀和掺杂。典型 的集成电路硅片制造工艺可能要花费六到八周的时 间，包括350或者更多步骤来完成所有的制造工 艺 。
集成电路是在硅片制造厂中制造完成的。硅片制造厂可以分 成6个主要的生产区：扩散（包括氧化、膜淀积和掺杂工艺）、 光刻、刻蚀、薄膜、离子注人和抛光。虽然对硅片上的独立管芯 进行测试的测试 / 拣选区就在硅片厂的附近，但是测试区并不与 硅片制造厂的其他部分在同一超净环境当中。装配和封装则在其 他工厂进行，甚至在别的国家完成。
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 。
无源元件
集成电路电阻
为形成集成电路电阻，可以淀积一层具有阻值的薄膜在硅衬 底上，然后利用图形曝光技术和刻蚀定出其图样。也可以在生长 于硅衬底土的热氧化层上开窗，然后注人（或是扩散）相反导电 型杂质到晶片内。图显示利用后者方法形成的两个电阻的顶视图 和截面图，一个是曲折型，另一个是直条型。 由掩模版定义出不同的几何图样，可同时在一个集成电路中 制造出许多不同阻值的电阻．因此将电阻值的大小分成两部分是 很方便的：由离子注入（或是扩散）工艺决定薄层电阻 (R□）； 由图样尺寸决定L/W比例.一旦R□已知．电阻值可以由L/W的比例会增加额外的电阻值至集成电路电阻中．
无源元件
无源元件
集成电路电容
在集成电路中有两种电容： MOS 电容和 p-n 结电容。电容的制 造是利用一个高浓度区域（如发射极区域）作为一个电极板．上 端的金属电极作为另一个电极板．中间的氧化层当作介电层。为 了形成MOS电容，一层利用热氧化的厚氧化层生长在硅衬底上。接 着，利用图形曝光技术在氧化层上定义出一个窗口，然后进行氧 化层刻蚀．以周围的厚氧化层当作掩蔽层，利用扩散或是离子注 人在窗口区域内形成 P+区域。然后，一层热氧化的薄氧化层生长 在窗口区域，接下来则是金属化的步骤。 为了增加电容的大小，人们开始研究具有较高介电常数的绝 缘体．如氮化硅（Si3N4）及五氧化二钽（Ta2O5）．其介电常数分 别为7和25。因为电容的下电极板是高浓度材料，因此MOS电容值 与所加偏压无关．高浓度材料的下电极可同时降低串联电阻。
无源元件
无源元件
集成电路电感
集成电路电感已被广泛地应用在Ⅲ-Ⅴ族的单片微波集成电 路上 (MMIC ）。随着硅器件速度的增加及多层金属连线技术的进 步，在以硅器件为主的无线电射频（RF）和高频应用上，集成电 路电感已经越来越受到注意。利用IC工艺可以制作出各式各样的 电感，其中最普遍的为薄膜螺旋形电感。在硅衬底上 , 具有两层 金属螺旋形电感的顶视图和截面图。为形成一个螺旋形的电感， 可利用热氧化或是淀积方式在硅衬底上形成层厚氧化层。然后， 淀积第一层金属作为电感的一端。接着淀积另一层介电层在第一 层金属上。利用图形曝光方式定义并刻蚀氧化层形成通孔，接着 淀积第二层金属并且将通孔填满。螺旋形电感可在作为电感第二 端的第二层金属上被定义及刻蚀出来。
硅片制造厂的分区概述
薄膜生长 薄膜区主要负责生产各个步骤当中的介质层与金属层的淀积。 薄膜生长中所采用的温度低于扩散区中设备的工作温度。薄膜生长区中有 很多不同的设备。所有薄膜淀积设备都在中低真空环境下工作，包括化学 气相淀积和金属溅射工具（物理气相淀积）。该区中用到的其他设备可能 会有SOG (spin-on-glass)系统、快速退火装置（RTP）系统和湿法清洗设 备。SOG用来填充硅片上的低凹区域以实现硅片表面的平坦化（使平滑）。 快速退火装置用于修复离子注入引人的衬底损伤，也用于金属的合金化步 骤。 抛光 CMP（化学机械平坦化）工艺的目的是使硅片表面平坦化，这是通过 将硅片表面突出的部分减薄到下凹部分的高度实现的。硅片表面凹凸不平 给后续加工带来了困难，而CMP使这种硅片表面的不平整度降到最小。抛光 机是CMP区的主要设备，而这一步工艺也可以叫抛光。CMP用化学腐蚀与机 械研磨相结合，以除去硅片顶部希望的厚度。其他辅助CMP的设备包括刷片 机（wafer scrubber ),清洗装置和测量工具。
硅片制造厂的分区概述
刻蚀 刻蚀工艺是在硅片上没有光刻胶保护的地方留下永久的图形。刻蚀区 最常见的工具是等离子体刻蚀机、等离子体去胶机和湿法清洗设备。目前， 虽然仍采用一些湿法刻蚀工艺，但大多数步骤采用 的是干法等离子体刻蚀。 等离子体刻蚀机是一种采用射频（ RF ）能量在真空腔中离化气体分子的一 种工具。等离子体是一种由电激励气体发光的物质 形态。等离子体与硅片 顶层的物质发生化学反应。刻蚀结束后利用另一种称为去胶机的等离子体装 置，用离化的氧气将硅片表面的光刻胶去掉。紧接着用一种化学溶剂彻底清 洗硅片。 离子注入 离子注入机是亚微米工艺中最常见的掺杂工具。气体带着要掺的 杂质，例如砷(As)、磷(P)、硼（B）在注入机中离化。采用高电压和磁场来 控制并加速离子。高能杂质离子穿透了涂胶硅片的表面。离子注入完成后， 要进行去胶和彻底清洗硅片。