什么是寄生效應(yīng)？寄生電容及版圖抗干擾設(shè)計(jì)

一、寄生效應(yīng)

定義:

在非理想狀態(tài)下設(shè)計(jì)中不希望存在的，有物質(zhì)本身特性，或物質(zhì)與物質(zhì)間相互作用，在特定條件下所產(chǎn)生的新特性。

這些特性在版圖中形成虛擬的器件，有部分或全部真實(shí)器件的功能和特點(diǎn)。

在電路圖中不存在，但在layout中卻相當(dāng)真實(shí)存在，會(huì)影響芯片性能

寄生效應(yīng)器件體現(xiàn):

寄生電容，寄生電阻，寄生mos管，寄生二極管，寄生三極管，寄生電感

作用:

大部分不希望有；無(wú)法準(zhǔn)確代入電路仿真中，造成設(shè)計(jì)上誤差。

同時(shí)會(huì)對(duì)芯片的安全性產(chǎn)生危害，漏電，latchup等

二、寄生電容及版圖抗干擾設(shè)計(jì)

定義:

任何兩個(gè)導(dǎo)體間只要存在介質(zhì)(任何兩個(gè)非絕緣體層次之間)都會(huì)產(chǎn)生寄生電容

工作原理:

電容器工作原理是電荷在電場(chǎng)中會(huì)受力而移動(dòng)，當(dāng)導(dǎo)體之間有了介質(zhì)，則阻礙了電荷移動(dòng)。

而使得電荷積累在導(dǎo)體上，造成電荷的積累儲(chǔ)存。

當(dāng)A信號(hào)產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)，通過(guò)電容c會(huì)帶動(dòng)信號(hào)b一起波動(dòng)，為耦合。

同樣電容c的電荷積累會(huì)減緩信號(hào)a的突然變化，如果b信號(hào)接的是一個(gè)恒定的牢固的電位時(shí)，就會(huì)對(duì)a信號(hào)濾波。

ps:

經(jīng)常采用電源和地線并排或重疊走線的好處就是電源地線之間的寄生電容有一定濾波作用。

這也是在電源和重要信號(hào)上掛到地的電容的原因。(濾波和穩(wěn)壓)

種類(lèi):

1.metal相關(guān)的:metal-metal，metal-poly(影響背柵電壓，進(jìn)而影響Ⅴth) ，metal和源漏十襯底(也有應(yīng)力作用)

2.poly相關(guān)的:poly一poly，poly和源、漏(pmos可能截止，nmos可能漏電)，poly和襯底

3.和襯底、阱相關(guān)的:源、漏和襯底，阱和阱(忽略)

寄生電容值大小的決定因素:

C=εs/4πKd

電容上下極之間距離對(duì)電容值的影響:

電容的上下極板間距越大，電容值越小

2.絕緣體電解質(zhì)常數(shù)對(duì)電容值的影響:

由工藝決定，版圖無(wú)法改變，不用考慮

3.上下極板覆蓋面積對(duì)電容值影響:

覆蓋面積越大，電容越大；周長(zhǎng)越長(zhǎng)，電容值越大

4.電容連接方式對(duì)電容值影響:

串聯(lián)的總電容值比串聯(lián)電路中最小的那個(gè)電容的容值小(高速，PR項(xiàng)目里減小寄生電容的重要方法)。

并聯(lián)的電容容值為電容之和

1.metal相關(guān)的寄生電容的版圖抗干擾處理:

⑴ metal一metal寄生電容抗干擾設(shè)計(jì)

①在噪聲metal和敏感metal兩邊用接地的metal進(jìn)行隔離(這種方法叫shielding，gnd采用干凈的gnd，盡量不與其他模板共用，可用信號(hào)本身模塊的gnd)

在噪聲信號(hào)兩邊用接地metal隔離，可以有效防止噪聲信號(hào)通過(guò)寄生電容將噪聲傳遞出去

上圖噪聲線a的波動(dòng)很難拉動(dòng)b地線，就算拉動(dòng)了b，也是頻率和幅度都大幅度消減的噪聲。在通過(guò)寄生電容D耦合到信號(hào)C上噪聲就更小了

②拉開(kāi)噪聲metal和敏感metal的間距

如果兩個(gè)metal有很長(zhǎng)一段平行走線，長(zhǎng)長(zhǎng)的橫截面平行就會(huì)有一個(gè)比較大的寄生電容。

就算中間有用接gnd的metal進(jìn)行隔離，噪聲也一定程度的耦合到敏感線上，

所以最好的處理方式是在有屏蔽線的基礎(chǔ)上拉開(kāi)間距，最好不要有平行走線

如果一定要平行總線，可選擇把噪聲線選擇用較高層次的線，采用不同層次走法來(lái)拉開(kāi)間距

③全方位屏蔽法

對(duì)于高要求的信號(hào)屏蔽，可用上下左右四個(gè)方向進(jìn)行g(shù)nd線隔離

④對(duì)于高速，RF信號(hào)，減少寄生電容的影響只有一種，采用高層metal，拉開(kāi)間距。

對(duì)這些信號(hào)而言，不要任何寄生電容

⑵ metal和poly Metal和源漏十襯底

Metal如果在管子溝道上走過(guò)，就會(huì)通過(guò)寄生電容影響gate電壓，同時(shí)和襯底的寄生電容對(duì)溝道反型產(chǎn)生影響，影響閾值電壓，進(jìn)而影響D端的信號(hào)輸出。

同時(shí)metal壓在管子上也會(huì)引入不均勻的應(yīng)力，降低管子的匹配性

2.襯底相關(guān)的寄生電容的版圖抗干擾處理

寄生電容可以把電路1的噪聲耦合到襯底，再通過(guò)襯底耦合到電路2中。

這種耦合到襯底的噪聲沒(méi)辦法完全避免，只能減少影響

減少襯底噪聲干擾的方法:

①用敏感模塊遠(yuǎn)離噪聲模塊， 用間距去削弱噪聲

②把噪聲模塊(敏感模塊)用雙保護(hù)環(huán)為死，不讓噪聲傳出(入)模塊

③用深N井，NBL工藝物理隔開(kāi)Psub，不讓噪聲輕易傳到襯底上

★NMELL保護(hù)環(huán)吸收電子(強(qiáng))，復(fù)合空穴(弱)。

Psub保護(hù)環(huán)吸收空穴(強(qiáng))，復(fù)合電子(弱)。

三、寄生電阻及版圖抗干擾設(shè)計(jì)

定義:

任何導(dǎo)體都存在寄生電阻，金屬，柵，襯底，擴(kuò)散區(qū)，都存在寄生電阻

影響:

一般我們的信號(hào)傳導(dǎo)兩種信號(hào)，電壓(一般連接到gate)或電流(一般連接到源、漏)

傳電壓: 寄生電阻對(duì)電壓的影響不大。

∵I=V/R，當(dāng)寄生電阻大的時(shí)候，電流就會(huì)小。

電流小，將gate電荷移走的時(shí)間就長(zhǎng)(t=Q/I)，那么gate上的電位由原來(lái)的電壓V改變到新電壓V的時(shí)間就長(zhǎng)，影響管子的開(kāi)啟速度。

這也就是橫向放置電流鏡為什么不能太長(zhǎng)的原因之一；

也是當(dāng)導(dǎo)線太長(zhǎng)會(huì)影響電路翻轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)不了管子的原因之一。

2. 當(dāng)傳導(dǎo)電流時(shí)，會(huì)在傳導(dǎo)路徑上產(chǎn)生很大的壓降，V=IR，就會(huì)影響接下來(lái)電路的性能

寄生電阻值大小的決定因素:(通用于正常電容)

電阻值=R=ρ*L/s(w*d)=L/w(方塊數(shù))*R(即ρ/d)(方塊阻值)

1.決定電阻值大小的一個(gè)因素是電阻率p(工藝決定，忽略)

2.橫截面越大，方塊電阻值越??；Metal的厚度越厚，方塊電阻越小，所以Top metal的寄生電阻越小

3.方塊數(shù)越多，寄生電阻越大。方塊數(shù)=線長(zhǎng)度L/線的寬度w

4.串聯(lián)電阻，電阻值越大；并聯(lián)電阻比最小的電阻值還小。

5.接觸孔，通孔電阻；孔的個(gè)數(shù)越多，電阻越小。

6.任何兩個(gè)物質(zhì)接觸的地方都有接觸電阻(無(wú)法計(jì)算)

各種電阻值和VIA和metal，poly等的過(guò)電流能力:

方塊阻值，孔電阻和過(guò)電流能力數(shù)據(jù)都在design rule或Electrical specifcations文檔里找(電學(xué)特性文檔)

降低寄生電阻的版圖處理技巧:

1.加厚，加寬metal:

同層次metal可以通過(guò)多根metal并聯(lián)的方式加寬metal來(lái)降低寄生電阻

不同層次metal相互疊加走線相當(dāng)于加厚metal

2.特殊的版圖畫(huà)法技巧:

①電源地線樹(shù)形走線，由一個(gè)粗壯的總線，分支出多個(gè)較細(xì)的總線，一級(jí)一級(jí)分布就像樹(shù)分支一樣

②模塊內(nèi)電源、地線可以分布成網(wǎng)格狀，多條通路的并聯(lián)可以極大降低模塊內(nèi)部的電源、地的寄生電阻，加大過(guò)電流能力。

③將總線用多點(diǎn)，選擇中間位置連接到cell內(nèi)部，形成網(wǎng)格。

四、寄生mos管及版圖抗干抗設(shè)計(jì)

形成原理:

如果一個(gè)metal穿過(guò)兩個(gè)nwell之間兩個(gè)n+/p+間，metal和襯底的寄生電容會(huì)讓襯底反型，形成寄生mos管。

會(huì)造成漏電，Latchup等嚴(yán)重后果。

★★★在低壓器件中很難形成寄生MOS管。

因?yàn)樾盘?hào)的電壓不夠高，無(wú)法有足夠的壓差形成反型。

五、二極管及三極管寄生效應(yīng)

寄生二極管的形成:

任何相互接觸的p和n之間都是存在pn結(jié)的，PN結(jié)是寄生的二極管

寄生三極管的形成:

任何相互兩個(gè)銜接的pn結(jié)都是寄生三極管，三極管分pnp和npn(BJT)

審核編輯：劉清