什么是寄生效应？寄生电容及版图抗干扰设计

一、寄生效应

定义:

在非理想状态下设计中不希望存在的，有物质本身特性，或物质与物质间相互作用，在特定条件下所产生的新特性。

这些特性在版图中形成虚拟的器件，有部分或全部真实器件的功能和特点。

在电路图中不存在，但在layout中却相当真实存在，会影响芯片性能

寄生效应器件体现:

寄生电容，寄生电阻，寄生mos管，寄生二极管，寄生三极管，寄生电感

作用:

大部分不希望有；无法准确代入电路仿真中，造成设计上误差。

同时会对芯片的安全性产生危害，漏电，latchup等

二、寄生电容及版图抗干扰设计

定义:

任何两个导体间只要存在介质(任何两个非绝缘体层次之间)都会产生寄生电容

工作原理:

电容器工作原理是电荷在电场中会受力而移动，当导体之间有了介质，则阻碍了电荷移动。

而使得电荷积累在导体上，造成电荷的积累储存。

当A信号产生波动时，通过电容c会带动信号b一起波动，为耦合。

同样电容c的电荷积累会减缓信号a的突然变化，如果b信号接的是一个恒定的牢固的电位时，就会对a信号滤波。

ps:

经常采用电源和地线并排或重叠走线的好处就是电源地线之间的寄生电容有一定滤波作用。

这也是在电源和重要信号上挂到地的电容的原因。(滤波和稳压)

种类:

1.metal相关的:metal-metal，metal-poly(影响背栅电压，进而影响Ⅴth) ，metal和源漏十衬底(也有应力作用)

2.poly相关的:poly一poly，poly和源、漏(pmos可能截止，nmos可能漏电)，poly和衬底

3.和衬底、阱相关的:源、漏和衬底，阱和阱(忽略)

寄生电容值大小的决定因素:

C=εs/4πKd

电容上下极之间距离对电容值的影响:

电容的上下极板间距越大，电容值越小

2.绝缘体电解质常数对电容值的影响:

由工艺决定，版图无法改变，不用考虑

3.上下极板覆盖面积对电容值影响:

覆盖面积越大，电容越大；周长越长，电容值越大

4.电容连接方式对电容值影响:

串联的总电容值比串联电路中最小的那个电容的容值小(高速，PR项目里减小寄生电容的重要方法)。

并联的电容容值为电容之和

1.metal相关的寄生电容的版图抗干扰处理:

⑴ metal一metal寄生电容抗干扰设计

①在噪声metal和敏感metal两边用接地的metal进行隔离(这种方法叫shielding，gnd采用干净的gnd，尽量不与其他模板共用，可用信号本身模块的gnd)

在噪声信号两边用接地metal隔离，可以有效防止噪声信号通过寄生电容将噪声传递出去

上图噪声线a的波动很难拉动b地线，就算拉动了b，也是频率和幅度都大幅度消减的噪声。在通过寄生电容D耦合到信号C上噪声就更小了

②拉开噪声metal和敏感metal的间距

如果两个metal有很长一段平行走线，长长的横截面平行就会有一个比较大的寄生电容。

就算中间有用接gnd的metal进行隔离，噪声也一定程度的耦合到敏感线上，

所以最好的处理方式是在有屏蔽线的基础上拉开间距，最好不要有平行走线

如果一定要平行总线，可选择把噪声线选择用较高层次的线，采用不同层次走法来拉开间距

③全方位屏蔽法

对于高要求的信号屏蔽，可用上下左右四个方向进行gnd线隔离

④对于高速，RF信号，减少寄生电容的影响只有一种，采用高层metal，拉开间距。

对这些信号而言，不要任何寄生电容

⑵ metal和poly Metal和源漏十衬底

Metal如果在管子沟道上走过，就会通过寄生电容影响gate电压，同时和衬底的寄生电容对沟道反型产生影响，影响阈值电压，进而影响D端的信号输出。

同时metal压在管子上也会引入不均匀的应力，降低管子的匹配性

2.衬底相关的寄生电容的版图抗干扰处理

寄生电容可以把电路1的噪声耦合到衬底，再通过衬底耦合到电路2中。

这种耦合到衬底的噪声没办法完全避免，只能减少影响

减少衬底噪声干扰的方法:

①用敏感模块远离噪声模块， 用间距去削弱噪声

②把噪声模块(敏感模块)用双保护环为死，不让噪声传出(入)模块

③用深N井，NBL工艺物理隔开Psub，不让噪声轻易传到衬底上

★NMELL保护环吸收电子(强)，复合空穴(弱)。

Psub保护环吸收空穴(强)，复合电子(弱)。

三、寄生电阻及版图抗干扰设计

定义:

任何导体都存在寄生电阻，金属，栅，衬底，扩散区，都存在寄生电阻

影响:

一般我们的信号传导两种信号，电压(一般连接到gate)或电流(一般连接到源、漏)

传电压: 寄生电阻对电压的影响不大。

∵I=V/R，当寄生电阻大的时候，电流就会小。

电流小，将gate电荷移走的时间就长(t=Q/I)，那么gate上的电位由原来的电压V改变到新电压V的时间就长，影响管子的开启速度。

这也就是横向放置电流镜为什么不能太长的原因之一；

也是当导线太长会影响电路翻转，驱动不了管子的原因之一。

2. 当传导电流时，会在传导路径上产生很大的压降，V=IR，就会影响接下来电路的性能

寄生电阻值大小的决定因素:(通用于正常电容)

电阻值=R=ρ*L/s(w*d)=L/w(方块数)*R(即ρ/d)(方块阻值)

1.决定电阻值大小的一个因素是电阻率p(工艺决定，忽略)

2.横截面越大，方块电阻值越小；Metal的厚度越厚，方块电阻越小，所以Top metal的寄生电阻越小

3.方块数越多，寄生电阻越大。方块数=线长度L/线的宽度w

4.串联电阻，电阻值越大；并联电阻比最小的电阻值还小。

5.接触孔，通孔电阻；孔的个数越多，电阻越小。

6.任何两个物质接触的地方都有接触电阻(无法计算)

各种电阻值和VIA和metal，poly等的过电流能力:

方块阻值，孔电阻和过电流能力数据都在design rule或Electrical specifcations文档里找(电学特性文档)

降低寄生电阻的版图处理技巧:

1.加厚，加宽metal:

同层次metal可以通过多根metal并联的方式加宽metal来降低寄生电阻

不同层次metal相互叠加走线相当于加厚metal

2.特殊的版图画法技巧:

①电源地线树形走线，由一个粗壮的总线，分支出多个较细的总线，一级一级分布就像树分支一样

②模块内电源、地线可以分布成网格状，多条通路的并联可以极大降低模块内部的电源、地的寄生电阻，加大过电流能力。

③将总线用多点，选择中间位置连接到cell内部，形成网格。

四、寄生mos管及版图抗干抗设计

形成原理:

如果一个metal穿过两个nwell之间两个n+/p+间，metal和衬底的寄生电容会让衬底反型，形成寄生mos管。

会造成漏电，Latchup等严重后果。

★★★在低压器件中很难形成寄生MOS管。

因为信号的电压不够高，无法有足够的压差形成反型。

五、二极管及三极管寄生效应

寄生二极管的形成:

任何相互接触的p和n之间都是存在pn结的，PN结是寄生的二极管

寄生三极管的形成:

任何相互两个衔接的pn结都是寄生三极管，三极管分pnp和npn(BJT)

审核编辑：刘清