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     我們在芯片設(shè)計時，常常會用到各種各樣的器件，如果將芯片比作上面民間傳說中的龍，最基礎(chǔ)的器件就可以比作龍子，不同的是芯片有七子，他們分別是MOS、電阻、電容、電感、二極管、三極管、EFuse，每種器件都有其獨有的特性，可通過金屬線把不同特性的器件合理的連接起來，才能形成特定功能的芯片。

 

1.二極管(Diode)

 

1.1 Diode定義

    二極管是一種具有兩個電極的電子元件，通常用來實現(xiàn)電流單向通過，其主要原理就是利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。如圖1所示，在PN結(jié)外加正向電壓，在這個外加電場的作用下，PN結(jié)的平衡狀態(tài)被打破，P區(qū)中的空穴和N區(qū)的電子都往PN結(jié)方向移動，空穴和PN結(jié)P區(qū)的負(fù)離子中和，電子和PN結(jié)N區(qū)的正離子中和，這樣就使PN結(jié)變窄。隨著外加電場的增加，擴散運動進一步增強，漂移運動減弱，當(dāng)外加電壓超過門檻電壓，PN結(jié)相當(dāng)于一個阻值很小的電阻，也就是PN結(jié)導(dǎo)通。

 

 

 

1.2 Diode類型及應(yīng)用

    二極管在電路中使用廣泛，根據(jù)其在不同應(yīng)用場合可以分為以下幾種類型：

(1) 整流二極管：用于將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，常見于電源適配器和電源供應(yīng)器中；

(2) 發(fā)光二極管(LED)：在正向偏置時發(fā)光，用于指示燈、顯示器、照明等；

(3) 齊納二極管：用于穩(wěn)壓電路，通過在反向偏置下工作的齊納擊穿效應(yīng)來維持穩(wěn)定的電壓；

(4) 肖特基二極管：具有較低的正向壓降和快速的開關(guān)特性，常用于高速開關(guān)電路中；

(5) 光電二極管：用于檢測光信號，通過光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為電能，廣泛應(yīng)用于光纖通信和光學(xué)傳感器中。

 

2.雙極型晶體管(BJT)

 

2.1 BJT定義

    雙極性晶體管，全稱雙極性結(jié)型晶體管(Bipolar Junction Transistor, BJT），俗稱三極管，是一種具有三個終端的電子器件，由三部分摻雜程度不同的半導(dǎo)體制成，晶體管中的電荷流動主要是由于載流子在PN結(jié)處的擴散作用和漂移運動。BJT的工作同時涉及電子和空穴兩種載流子的流動，因此它被稱為雙極性的，所以也稱雙極性載流子晶體管。這種工作方式與下一小節(jié)要討論的場效應(yīng)晶體管的單極性晶體管工作方式不同，后者的工作方式僅涉及單一種類載流子的漂移作用。

 

    BJT是由三個不同的摻雜半導(dǎo)體區(qū)域組成，它們分別是發(fā)射極區(qū)域、基極區(qū)域和集電極區(qū)域。如圖2所示，這些區(qū)域在NPN型晶體管中分別是N型、P型和N型半導(dǎo)體，而在PNP型晶體管中則分別是P型、N型和P型半導(dǎo)體。BJT中每一個半導(dǎo)體區(qū)域都有一個引腳端接出，通常用字母E、B和C來表示發(fā)射極(Emitter)、基極(Base)和集電極(Collector)。

 

2.2 BJT類型及應(yīng)用

    BJT主要分為NPN和PNP兩種，由于其特殊結(jié)構(gòu)，BJT能夠放大信號，并且具有較好的功率控制、高速工作以及耐久能力，常被廣泛地應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械和機器人等應(yīng)用產(chǎn)品中：

 

(1) 放大電路：廣泛用于音頻和射頻信號的放大；

 

(2) 開關(guān)電路：用于數(shù)字電路中的開關(guān)操作，如微處理器的驅(qū)動電路；

 

(3) 振蕩電路：在振蕩器和定時器電路中，用于產(chǎn)生交流信號；

 

(4) 電源管理：用于穩(wěn)壓器和電流源電路中。

 

3.場效應(yīng)晶體管

 

3.1 場效應(yīng)晶體管定義

    場效應(yīng)晶體管(Field Effect Transistor，F(xiàn)ET)是一種通過電場效應(yīng)來控制電流的晶體管，由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，所以也稱為單極型晶體管。主要通過施加在柵極(Gate)上的電壓來控制源極(Source)和漏極(Drain)之間的電流流動，它具有高輸入阻抗和低功耗的特點，是一種常見的半導(dǎo)體器件。

 

3.2 場效應(yīng)晶體管類型及應(yīng)用

    芯片中常用的場效應(yīng)晶體管主要有兩種類型：結(jié)型場效應(yīng)管(Junction FET，JFET)和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(Metal-Oxide Semiconductor FET, MOS-FET)，如圖3所示，兩種場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)有所區(qū)別，在功能上兩者的區(qū)別在于JFET主要用于放大弱信號，主要是無線信號，而MOS-FET是一種使用電場效應(yīng)改變器件電性能的晶體管。

 

(1) 模擬開關(guān)：作為電子開關(guān)，用于數(shù)字電路、開關(guān)電源、和微控制器接口中；

 

(2) 放大電路：用于信號放大，在運算放大器和射頻放大器中廣泛使用；

 

(3) 數(shù)字電路：MOSFET用于CMOS邏輯電路，是集成電路的基礎(chǔ)；

 

(4) 電源管理：用于電源管理電路，作為DC-DC轉(zhuǎn)換器，用于升壓和降壓轉(zhuǎn)換器中。作為穩(wěn)壓器，用于線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器中。

 

4. 電阻

 

4.1 電阻定義

    我們通常稱的電阻其實學(xué)名為電阻器(Resistor)，是一種對電流呈現(xiàn)阻礙作用的耗能元件，根據(jù)電阻定律，電阻值可通過R=ρL/S進行計算(ρ為材料電阻率，L為制成電阻材料的長度，S為制成電阻材料的橫截面積)。如圖4a所示，電阻的大小可以通過以上公式結(jié)合特征尺寸進行計算，圖4b給出了版圖中一種常見的金屬繞線電阻，在實際版圖中為了方便計算引入了方塊電阻的概念(圖4b右圖所示)，圖4c則給出了電路中電阻的通用符號。

 

 

4.2 電阻類型及應(yīng)用

    芯片中的電阻與我們在電路板中看到的大個電阻雖然形狀大小不同，但是原理都是基于上面的公式，在芯片制造過程中，常見的電阻有以下兩種類型：

(1) 多晶硅電阻

    多晶硅電阻通常是通過在硅基表面形成一層多晶硅薄膜來實現(xiàn)，由于硅材料本身電阻較高，因此該類型電阻的阻值較高，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、易于制造以及具有較高的功率能力；

(2) 薄膜電阻

    薄膜電阻是通過在芯片表面沉積一層薄膜來實現(xiàn)，常見的材料有金屬、合金和碳等，其電阻值較小，而且可以通過改變薄膜的材料、厚度和尺寸等參數(shù)來實現(xiàn)，其優(yōu)點是電阻值低、尺寸小以及較好的溫度穩(wěn)定性。

    這兩種電阻在Foundry的實際制造中會根據(jù)需求和工藝形成更多的電阻類型，適用于更多的使用情況。

 

5. 電容

 

5.1 電容定義

    電容器就是能夠儲存電荷的“容器”，兩塊導(dǎo)體板(通常為金屬板)中隔以電介質(zhì)，電容是容器兩極板間電勢差與所存儲電荷量之間的比值，用于描述電容器容納電荷的能力，電容值可以通過C=Q/U進行計算(C代表電容，Q代表電荷量，U代表電勢差)。

 

5.2 電容類型及應(yīng)用

    芯片中常見的電容主要分為varactor電容、MIM電容和MOM電容三種，如圖5所示，三種電容的結(jié)構(gòu)不同，電容值和應(yīng)用場合也有所區(qū)別。

(1) Varactor電容

    一種小型電容器，也稱為可變電容器或可變柵極電容器，特點是可以通過改變外部電場來控制它的容量變化，由于其特殊性，常用于高頻收發(fā)器、微波電路、分頻器、功率放大器等電路中；

(2) MIM電容

    MIM電容被稱為極板電容，電容值較精確，電容值不會隨偏壓變化而變化。MIM電容利用上下層Mn和Mn-1(版圖金屬層數(shù))金屬構(gòu)成的，電容值可以用上級板面積與單位容值乘積來進行估算，上下極板接法不可互換，一般用于analog和RF工藝；

(3) MOM電容

    MOM電容被稱為指插電容，一般只在多層金屬的先進制程上使用，通過多層布線的版圖來實現(xiàn)的，但得到的電容值確定性和穩(wěn)定性不如MIM，一般會用在對電容值要求不高，只是用到相對比值之類的應(yīng)用中，并且上下極板接法可互換。

 

6. 電感

 

6.1 電感定義

    電感(Inductor)，通常是指電感器，是依據(jù)電磁感應(yīng)原理，由導(dǎo)線繞制而成，在導(dǎo)線或線圈中流過電流時，其周圍就會產(chǎn)生磁場，線圈中電流發(fā)生變化時線圈周圍的磁場發(fā)生變化，變化的磁場可使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這就是自感作用，表示自感能力的物理量稱為電感。在電路圖中用符號L表示。

 

 

6.2 電感類型及應(yīng)用

    根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，電感可以分為線型和非線型兩種，如果根據(jù)工藝結(jié)構(gòu)的不同，電感還可以分為繞線型、疊層型和一體型等。電感在芯片電路中的主要作用是限制電流變化速度，使得電路中電流能夠穩(wěn)定傳輸，穩(wěn)定電源噪聲，抑制峰值電壓的出現(xiàn)，同時還能過濾掉高頻噪聲，防止芯片發(fā)生不必要的崩潰。

 

7. eFuse

 

7.1 eFuse定義

    eFuse的全稱是“電子熔斷器”（electronic fuse），是一種可編程電子保險絲，用于存儲信息和保護芯片的非易失性存儲器件。它的原理是基于電子注入和熱效應(yīng)，在eFuse中短電流脈沖被應(yīng)用于熱致電子發(fā)射，這會使電流通過一個非常小的導(dǎo)線，該電流會引起電線中的材料熔斷，形成一個永久性的開路。這個過程是不可逆的，一旦eFuse被熔斷，就不能再次編程。

 

 

7.2 eFuse類型及應(yīng)用

    eFuse可以被用于多個應(yīng)用場景，例如芯片保護、電源管理、電路校準(zhǔn)等。在芯片保護方面，eFuse可以用于防止電路被過電壓或過電流損壞，也可用于防篡改、防破解等。在電源管理方面，eFuse可以用于控制電流和電壓，確保電路正常工作。在電路校準(zhǔn)方面，eFuse可以用于校準(zhǔn)電路參數(shù)，例如時鐘頻率和電流偏置等?？偟膩碚feFuse的優(yōu)點是體積小、功耗低、可編程性強、可靠性高、不易被擦除等，因此在集成電路中得到了廣泛應(yīng)用。