《集成电路原理与设计》课件3.2 MOS器件瞬态和无源器件.ppt

1、集成电路原理与设计MOS器件瞬态和无源器件2长沟道长沟道MOS器件模型器件模型3.1.1 MOS晶体管阈值电压分析晶体管阈值电压分析3.1.2 MOS晶体管电流方程晶体管电流方程3.2.1 MOS晶体管的亚阈值电流晶体管的亚阈值电流3.2.2 MOS晶体管的瞬态特性晶体管的瞬态特性电路分析n直流分析直流分析n交流分析交流分析n瞬态分析瞬态分析3瞬态分析n输出信号的上输出信号的上升时间和下降升时间和下降时间时间n输入信号到输输入信号到输出信号的出信号的延迟延迟时间时间4VDDVVinoutt瞬态特性的影响因素瞬态特性的影响因素n通过通过MOS对节点对节点电容电容充放电充放电nVout|VTP|,

2、PMOS线性线性5VDDCLt=0Vin6MOS晶体管的瞬态晶体管的瞬态n 本征电容本征电容n 寄生电容寄生电容71 MOS晶体管的本征电容晶体管的本征电容-+-p-SiVVVSGBDVQGQQcBn+n+8Meyer电容模型电容模型3个集总电容：个集总电容：,GBGTGBGDGTGDGSGTGSVQCVQCVQC)(BTCTGTQQQ强反型后强反型后CTGTQQ-+-p-SiVVVSGBDVQGQQcBn+n+9沟道区反型层电荷沟道区反型层电荷223332TGDTGSTGDTGSoxCTVVVVVVVVWLCQDSDSTGSDSTGSTGSoxLcTGSoxCTVVVVVVVVVWLCyyV

3、VVWCQ)(2)()(32 d)(330 ,GBGTGBGDGTGDGSGTGSVQCVQCVQC-+-p-SiVVVSGBDVQGQQcBn+n+10本征电容：本征电容：线性区线性区2DSTGS2TGSoxGDCTGD2DSTGS2DSTGSoxGSCTGS2132,2132VVVVVWLCVQCVVVVVVWLCVQC0BTGBGBQCV oxGDGSDSWLCCCV21 ,0223332TGDTGSTGDTGSoxCTVVVVVVVVWLCQ强反型后体电荷保持不变强反型后体电荷保持不变11本征电容：本征电容：饱和区饱和区TGSDsatDSVVVV0032GBBTGBGDCTGDoxGS

4、CTGSVQCVQCWLCVQC2DSTGS2TGSoxGDCTGD2DSTGS2DSTGSoxGSCTGS2132,2132VVVVVWLCVQCVVVVVVWLCVQC12本征电容：本征电容：截止截止区区212/)(41FBGSoxGBBTGBVVWLCVQC0GDGSCCGTCTBTBT()QQQQ SiO2SiO2n+n+SDLp-SitoxxjGn表面耗尽表面耗尽n弱反型弱反型13本征电容随本征电容随VGS的变化的变化14本征电容的简单分区模型本征电容的简单分区模型工作区工作区 CGB CGS CGD截止区截止区 WLCox 0 0线性区线性区 0 1/2 WLCox 1/2WLCo

5、x饱和区饱和区 0 2/3 WLCox 0152 MOS晶体管的寄生电容晶体管的寄生电容源、漏区源、漏区pn结电容结电容jcjPDjADDBjcjPSjASSBnCCPCACnCCPCAC31021011bijpjPbijjAVVCCVVCC16栅栅-源、栅源、栅-漏覆盖电容漏覆盖电容n+n+CGSCGDLD00 ,GDGDGSGSoxDGDGSWCCWCCCWLCC17栅栅-衬底覆盖衬底覆盖电容电容CGBovCGBovLLF0 GBoxFFGBLCCLLC18MOS晶体管的瞬态分析模型晶体管的瞬态分析模型RSSCGBCGBCCCGSGSDBjISBSBCCCIDBDBRDGDGDjIGD19

6、MOSFET电容的简化模型电容的简化模型VinCinVoutCout DBoutoxinCCWLCC第三章 集成电路器件与模型nMOS器件器件n二级效应二级效应nMOS的的SPICE模型模型n双极器件双极器件n无源器件无源器件2021CMOSCMOS工艺工艺:无源器件无源器件n集成电阻器集成电阻器n集成电容器集成电容器n集成电路中的互连线集成电路中的互连线22MOSMOS工艺：工艺：n+n+或或p+p+扩散电阻扩散电阻50150/方块方块存在对衬底的寄生电容存在对衬底的寄生电容23MOSMOS工艺：多晶硅电阻工艺：多晶硅电阻30200/方块方块24MOSMOS工艺：阱电阻工艺：阱电阻110k/

7、方块方块25集成电路中的元器件集成电路中的元器件n集成电阻器集成电阻器n集成电容器集成电容器n集成电路中的互连线集成电路中的互连线26几种电容结构几种电容结构nMOS电容电容n双层多晶硅（金双层多晶硅（金属）叠置电容属）叠置电容n阱区阱区MOS电容电容27多层金属：多层金属：垂直电容垂直电容水平电容水平电容-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集成电路中的元器件n集成电阻器集成电阻器n集成电容器集成电容器n集成电路中的互连线集成电路中的互连线29连线寄生效应对电路的影响连线寄生效应对电

8、路的影响 连线存在着寄生连线存在着寄生电阻电阻、电容电容和电感和电感 连线连线RC延迟影响速度延迟影响速度连线寄生效应引入噪声连线寄生效应引入噪声30互连线参数互连线参数按比例缩按比例缩小后小后几何尺寸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互连线对电路的影响 互连线的延迟占据电路整体延迟的比互连线的延迟占据电路整体延迟的比例不断增加例不断增加 互连线的互连线的IR电压降，引起信号电压幅电压降，引起信号电压幅度下降度下降芯片面积增大使连线长度增加，进一芯片面积增大使连线长度增加，进一步加剧以上问

9、题步加剧以上问题32模块最大延迟时间(ps)Adder600Result Mux60Early Bypass Mux100Middle Bypass Mux80Late Bypass Mux752mm wire100nItanium处理器的算术逻处理器的算术逻辑单元（辑单元（ALU）结构图）结构图n如果触发器的建立时间为如果触发器的建立时间为65ps,clk到输出到输出Q的延迟时的延迟时间为间为50psn请计算电路工作的最大时请计算电路工作的最大时钟周期钟周期33互连线互连线n寄生电容寄生电容n寄生电阻寄生电阻n寄生电感寄生电感n互连线引起可靠性问题互连线引起可靠性问题n互连线的互连线的RC延

10、迟延迟34连线的寄生电容连线的寄生电容35WS硅衬底HTTLSCWLHCoxox0m0v ,互连线电容互连线电容mvl2CCkC36WE E硅衬底HT边缘效应边缘效应37互连线寄生电容：特征尺寸减小互连线寄生电容：特征尺寸减小 38互连线互连线n寄生电容寄生电容n寄生电阻寄生电阻n寄生电感寄生电感n互连线引起可靠性问题互连线引起可靠性问题n互连线的互连线的RC延迟延迟39连线的寄生电阻连线的寄生电阻 连线电阻连线电阻:R=RL/W,R=/T 接触孔电阻接触孔电阻:Rco=c/Wl40 不同连线材料的电阻率不同连线材料的电阻率 材料材料 电阻率电阻率(-m)银银(Ag)1.610-8 铜铜(Cu

11、)1.710-8 金金(Au)2.210-8 铝铝(Al)2.710-8 钨钨(W)5.510-8 41不同材料的方块电阻不同材料的方块电阻 (针对针对0.25umCMOS工艺工艺)材料材料 方块电阻方块电阻(/)n+、p+扩散层扩散层 50150 n+、p+扩散层扩散层（有硅化物（有硅化物）35 N阱阱 1000 1500 多晶硅多晶硅 150200 多晶硅（有硅化物多晶硅（有硅化物）45 金属铝金属铝 0.050.142减小互连线寄生电阻43Wire Spacing ComparisonsIntel P856.5Al,0.25m -0.33 M2 -0.33 M3 -0.12 M4 -1.

12、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 P858Al,0.18m IBM CMOS-8SCU,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互连线互连线n寄生电容寄生电容n寄生电阻寄生电阻n寄生电感寄生电感n互连线引起的可靠性问题互连线引起的可靠性问题n互连线的互连线的RC延迟延迟45连线的寄生电感连线的寄生电感tiLtVLLdd)(46

13、寄生电感的典型值寄生电感的典型值 封装引脚和键合线的寄生电容和电感封装引脚和键合线的寄生电容和电感 封装类型封装类型 电容电容(pF)电感电感(nH)68-pin plastic DIP 4 35 68-pin ceramic DIP 7 20 256-pin grid array 1-5 2-15 键合线键合线 0.5-1 1-2 压焊块压焊块 0.1-0.5 0.01-0.147互连线互连线n寄生电容寄生电容n寄生电阻寄生电阻n寄生电感寄生电感n互连线引起的可靠性问题互连线引起的可靠性问题n互连线的互连线的RC延迟延迟48连线寄生电阻：欧姆压降（连线寄生电阻：欧姆压降（IR Drop）49

14、互连线寄生电容：线间串话互连线寄生电容：线间串话M1VmmM2VCCCV V67.15.24080802MV对于对于0.25um工艺，工艺，Cm=80fF/mm，Cv=40fF/mm，如果如果M1上信号变上信号变化化2.5V，则可以计，则可以计算算M2上产生的干上产生的干扰信号扰信号50 避免线间串话的措施避免线间串话的措施51互连线互连线n寄生电容寄生电容n寄生电阻寄生电阻n寄生电感寄生电感n互连线引起的可靠性问题互连线引起的可靠性问题n互连线的互连线的RC延迟延迟52互连线延迟的仿真波形互连线延迟的仿真波形voltage(V)time(nsec)VinVoutLL/10L/4L/2Lvou

15、tvCR53互连线互连线RC延迟的集总模型延迟的集总模型dd()1 e,50%0.6990%2.2outinoutlltoutDDlloutDDoutDDVVVCtRVtVRCVVtVVt传输延迟时间传输延迟时间输出信号上升输出信号上升/下降时间下降时间10%90%54连线连线RC延迟的分布模型延迟的分布模型11()()iiiiiVVVVVc Ltr L无法解析求解无法解析求解55分布模型的近似求解分布模型的近似求解2()()(2),outLVLrcrcNrcLN 22(1)()()222outN NrcLRCVrcL56分布分布RC模型与集总模型与集总RC模型模型差别差别电压变化范围电压变化

16、范围 集总集总RC模型模型 分布分布RC模型模型 0 50%(tpd)0.69RC 0.38 RC 0 63%()RC 0.5 RC 10%90%(tr)2.2 RC 0.89 RC57 电路模拟中近似的分布电路模拟中近似的分布RC模型模型58 互连线互连线RC延迟的模拟结果延迟的模拟结果59 Elmore的的RC网络延迟模型网络延迟模型NiijjiNiNijjiRCCR111)()(2121211iiiRRRCRRCRC 60Elmore模型c1c2ci-1cicNr1r2ri-1rirNVinVN12i-1iN D1=c1r1 D2=c1r1+c2(r1+r2)Di=c1r1+c2(r1+

17、r2)+ci(r1+r2+ri)Di=c1req+2c2req+3c3req+icireqElmore delay equation DN=cirii=ci rjNi互连线对电路影响：展望互连线对电路影响：展望6162芯片面积增大芯片面积增大缩小长连线按比例DM2ALp0ox0oxMMM0.69 0.69tRCLkWLTLW THS 2Dox0pAt 如果互连线的宽度，高度，间距和介质层厚如果互连线的宽度，高度，间距和介质层厚度等按比例度等按比例缩小，延迟平方增加缩小，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可以减小互连线的平均长度63减小减小连线连线RC延迟的措施延迟的措施n 合理的连线设计合理的连线设计n 优化的按比例缩小优化的按比例缩小n 多层互连技术多层互连技术n 采用新的低阻连线材料采用新的低阻连线材料n 采用新的低采用新的低k介质材料介质材料64 铜铜互连互连和低和低k k介质介质本节总结本节总结65nMOS瞬态特性瞬态特性n集成电路中的电阻和电容集成电路中的电阻和电容n互连线互连线