MOS器件瞬态和无源器件

1、集成电路原理与设计MOS器件瞬态和无源器件2长沟道MOS器件模型3.1.1 MOS晶体管阈值电压分析3.1.2 MOS晶体管电流方程3.2.1 MOS晶体管的亚阈值电流3.2.2 MOS晶体管的瞬态特性电路分析n直流分析n交流分析n瞬态分析3瞬态分析n输出信号的上 升时间和下降 时间n输入信号到输 出信号的延迟 时间4瞬态特性的影响因素n通过MOS对节点电容 充放电nVout|VTP|, PMOS线性56MOS晶体管的瞬态n 本征电容n 寄生电容71 MOS晶体管的本征电容8Meyer电容模型3个集总电容：强反型后9沟道区反型层电荷10本征电容： 线性区强反型后体电荷保持不变11本征电容： 饱和区12本征电容：截止区n表面耗尽n弱反型13本征电容随VGS的变化14本征电容的简单分区模型工作区 CGB CGS CGD截止区 WLCox 0 0线性区 0 1/2 WLCox 1/2WLCox饱和区 0 2/3 WLCox 0152 MOS晶体管的寄生电容源、漏区pn结电容16栅-源、栅-漏覆盖电容17栅-衬底覆盖 电容18MOS晶体管的瞬态分析模型19MOSFET电容的简化模型第三章 集成

2、电路器件与模型nMOS器件n二级效应nMOS的SPICE模型n双极器件n无源器件2021CMOS工艺:无源器件n集成电阻器n集成电容器n集成电路中的互连线22MOS工艺： n+或p+扩散电阻 50150/方块块 存在对衬对衬 底的寄生电电容23MOS工艺：多晶硅电阻30200/方块块24MOS工艺：阱电阻110k/方块块25集成电路中的元器件n集成电阻器n集成电容器n集成电路中的互连线26几种电容结构nMOS电容n双层多晶硅（金 属）叠置电容n阱区MOS电容27多层金属 ：垂直电 容水平电 容 - 0.97 M1 - 0.10 M6 - 0.10 M7 - 0.70 M2 - 0.50 M3 - 0.50 M4 - 0.50 M5 28集成电路中的元器件n集成电阻器n集成电容器n集成电路中的互连线29连线寄生效应对电路的影响 连线存在着寄生电阻、电容和电感 连线RC延迟影响速度连线寄生效应引入噪声30互连线参数按比例缩 小后 几何尺寸L，W，H1/k 电阻 R=L/WHk 电容 Cox1/k 延迟时间 RC1 电压降 IR1 电流密度 I/WHk 接触孔电阻k231互连线对电路的影响

3、互连线的延迟占据电路整体延迟的比 例不断增加 互连线的IR电压降，引起信号电压幅 度下降芯片面积增大使连线长度增加，进一 步加剧以上问题32模块最大延迟 时间 (ps)Adder600Result Mux60Early Bypass Mux100Middle Bypass Mux80Late Bypass Mux752mm wire100nItanium处理器的算术逻 辑单元（ALU）结构图n如果触发器的建立时间为 65ps,clk到输出Q的延迟时 间为50psn请计算电路工作的最大时钟 周期33互连线n寄生电容n寄生电阻n寄生电感n互连线引起可靠性问题n互连线的RC延迟34连线的寄生电容35互连线电容36边缘效应37互连线寄生电容：特征尺寸减小 38互连线n寄生电容n寄生电阻n寄生电感n互连线引起可靠性问题n互连线的RC延迟39连线的寄生电阻连线电阻: R=RL/W, R=/T 接触孔电阻: Rco = c/Wl40不同连线材料的电阻率材料 电阻率(-m) 银(Ag) 1.610-8铜(Cu) 1.710-8金(Au) 2.210-8铝(Al) 2.710-8钨(W) 5.510-8

4、41不同材料的方块电阻(针对0.25umCMOS工艺)材料 方块电阻(/) n+、 p+扩散层 50150 n+、 p+扩散层 （有硅化物 ） 35N阱 1000 1500多晶硅 150200多晶硅（有硅化物 ） 45金属铝 0.050.142减小互连线寄生电阻43Wire Spacing ComparisonsIntel P856.5 Al, 0.25m - 0.33 M2 - 0.33 M3 - 0.12 M4 - 1.11 M1 - 0.05 M5 Scale: 2,160 nm - 0.49 M2 - 0.49 M3 - 0.17 M4 - 1.00 M1 - 0.08 M5 - 0.07 M6 Intel P858 Al, 0.18m IBM CMOS-8S CU, 0.18m - 0.97 M1 - 0.10 M6 - 0.10 M7 - 0.70 M2 - 0.50 M3 - 0.50 M4 - 0.50 M5 From MPR, 200044互连线n寄生电容n寄生电阻n寄生电感n互连线引起的可靠性问题n互连线的RC延迟45连线的寄生电感46寄生电感的典型值封装引脚和键合

5、线的寄生电容和电感封装类型 电容 (pF) 电感(nH)68-pin plastic DIP 4 3568-pin ceramic DIP 7 20256-pin grid array 1-5 2-15键合线 0.5-1 1-2压焊块 0.1-0.5 0.01-0.147互连线n寄生电容n寄生电阻n寄生电感n互连线引起的可靠性问题n互连线的RC延迟48连线寄生电阻：欧姆压降（IR Drop）49互连线寄生电容：线间串话对于0.25um工艺 ，Cm=80fF/mm ，Cv=40fF/mm ，如果M1上信号 变化2.5V，则可以 计算M2上产生的 干扰信号50避免线间串话的措施51互连线n寄生电容n寄生电阻n寄生电感n互连线引起的可靠性问题n互连线的RC延迟52互连线延迟的仿真波形voltage (V)time (nsec)VinVoutLL/10L/4L/2LvoutvCR53互连线RC延迟的集总模型传输延迟时间输出信号上升/下降时间10% 90% 54连线RC延迟的分布模型无法解析求解55分布模型的近似求解56分布RC模型与集总RC模型 差别电压变化范围 集总RC模型 分布RC模型0 50% (tpd) 0.69RC 0.38 RC0 63% () RC 0.5 RC10% 90% (tr) 2.2 RC 0.89 RC57电路模拟中近似的分布RC模型58互连线RC延迟的模拟结果59Elmore的RC网络延迟模型60Elmore模型c1c2ci-1cicNr1r2ri-1rirN VinVN12i-1iND1=c1r1 D2=c1r1 + c2(r1+r2)Di=c1r1+ c2(r1+r2)+ci(r1+r2+ri)Di=c1req+ 2c2req+ 3c3req+ icireqElmore delay equation DN = cirii = ci rjNi互连线对电路影响：展望6162芯片面积增大 如果互连线的宽度，高度，间距和介质层厚 度等按比例缩小，延迟平方增加 互连线延迟随连线长度平方增加，多层互连 可以减小互连线的平均长度63减小连线RC延迟的措施n 合理的连线设计n 优化的按比例缩小n 多层互连技术n 采用新的低阻连线材料n 采用新的低k介质材料64铜互连和低k介质本节总结65nMOS瞬态特性n集成电路中的电阻和电容n互连线

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