版图技术——外围器件及阻容元件设计

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1、第7章外围器件及阻容元件设计主要内容7.1特殊尺寸器件的版图设计7.2电阻、电容及二极管的版图设计7.3CMOS集成电路的静电放电保护电路7.4压焊块的版图设计7.5电源和地线的设计7.1特殊尺寸器件的版图设计特殊尺寸器件是指：①大尺寸——MOS管宽长比（W/L）很大；②小尺寸——W/L＜1（倒比管）。7.1.1大尺寸器件1.CMOS电路的缓冲输出缓冲输出是指在内部电路输出端串联二级反相器，改善输出驱动能力。各级器件尺寸（W/L）：I0为小尺寸，I1为中等尺寸，I2为大尺寸。I2的尺寸根据输出电流的

2、大小和输出波形参数的要求进行设计。CMOS集成电路的缓冲输出2.大尺寸器件反相器I2的版图布局：通过改变MOS管的图形形状进行设计。(1）分段──大尺寸MOS管分段成若干小尺寸MOS管。(a)MOS管的W/L=200/1(b)截成4段（W/L=50/1）（2）源漏共享──合并源/漏区，4个小MOS管并联成大尺寸MOS管(a)形成S-G-D、S-G-D…排列(b)左起第二个和第四个的源和漏互(c)变成S-D-D-S-S-D-D-S的排列并联管数为N，并联管的宽长比等于大尺寸管宽长比的1/N。并联后连接

3、源和漏的金属线形成“叉指”结构。3.隔离环及其作用1)寄生MOS管当金属线通过场氧化层时,金属线和场氧化层及下面的硅衬底形成一个MOS管。如果金属线的电压足够高,会使场区的硅表面反型,在场区形成导电沟道,这就是场反型或场开启。寄生MOS管接通不该连通的两个区域，破坏电路的正常工作。(a)金属导线跨过两个扩散区(b)场反型形成场区寄生MOS管寄生MOS管示意图2)场开启电压影响场开启电压的因素：①场氧化层厚度——场氧化层越厚，场开启电压就越高。②衬底掺杂浓度——衬底浓度越高，场开启电压也越高。要求场开

4、启电压足够高，至少应大于电路的电源电压，使每个MOS管之间具有良好的隔离特性版图设计中增加沟道隔离环提高场开启电压。3)沟道隔离环沟道隔离环是制作在衬底上或阱内的重掺杂区，能提高场开启电压，防止衬底反型形成寄生MOS管。P管的隔离环是N-衬底上的N+环N管的隔离环是P-阱内的P+环4)大尺寸NMOS管①制作在P阱(实线)内，有源区为虚线。②由4个MOS管并联。③多晶硅栅为封闭结构，左边用金属引线连接，保证每个并联N管的栅极得到的信号相同。④在阱外，N管四周有N+隔离环，隔离环的有源区是完整的封闭环。

5、隔离环具有一定宽度，环上每隔一段距离开一个接触孔并用金属线将环连接到Vdd。⑤连接隔离环的金属线在左右边都开口，让金属线从隔离环内和环外进行连接。⑥在P阱的上下两端各进行重掺杂，作为N管源区和衬底的接触。5)P阱硅栅CMOS反相器输出级与压焊块(PAD)的连接特点:①P管和N管都由多管并联而成。②P管和N管放在两个隔离环内。③考虑到电子迁移率比空穴约大2.5倍，所以P管的尺寸比N管大，使反相器的输出波形对称。(a)无铝层的版图(b)完整的版图7.1.2倒比管1）W/L<1的MOS管称为倒比管。倒比管

6、在电路中可作为上拉电阻或下拉电阻。作上拉电阻用栅极接地的P管；作下拉电阻用栅极接电源的N管。2）应用实例：开机清零电路。开机清零电路3）版图：有源区设计成U型(图a)或反S型(图b)。(a)U型：L=2L1+L2(b)反S型7.2电阻、电容及二极管的版图设计7.2.1MOS集成电路中的电阻1.半导体扩散薄层的方块电阻R=ρL/dW=(ρ/d)L/W薄层导体的电阻R与L/W成正比，比例系数ρ/d称为方块电阻(用R□表示)，单位为欧姆。R□=ρ/dR=R□L/W当L=W时，有R=R□。这时R□表示一个正

7、方形的薄层电阻,它与正方形边长的大小无关,只与半导体的掺杂水平和掺杂区的结深有关。2.MOS集成电路中的无源电阻(1)多晶硅电阻1)阻值由掺杂浓度和电阻形状决定。2)电阻形状：①做成长条，在两端开接触孔与金属连接，如图(a)；②做成狗骨头状，如图(b)。③蛇形，如图(c），包括29个方块，如图(d)。(a)基本电阻(b)狗骨头电阻(c)蛇形(d)29个方块多晶硅电阻的版图(2)阱电阻阱是轻掺杂区，电阻率很高，可作大电阻，但精度不高。阱电阻两端要重掺杂做接触孔。(3)有源区电阻有源区可以做电阻和沟道电

8、阻(在两层掺杂区之间的中间掺杂层，例如npn中的p型区)。上述两种电阻要考虑衬底的电位，将P型衬底接最低电位，N型衬底接最高电位，使电阻区和衬底形成的PN结反偏。例如，P+电阻做在N阱内，除电阻两端有接触孔外，阱内要增加接最高电位的接触孔。3.MOS管做有源电阻对MOS管适当的连接，使其工作在一定的状态，利用它的直流导通电阻和交流电阻作电阻。优点是占用面积非常小。在模拟集成电路中，把MOS管的栅极和漏极相连形成非线性电阻。倒比管应用也是做电阻。7.2.2MOS集成电路