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无源元件
• 引言
• 分立元件中的无源元件
• 集成电路中的无源元件
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引言
• 衡量一种工艺是否适合于射频电路的集成不仅要看它能否提供高
频性能优良的晶体管，还要看它能否提供高品质的无源元件
– 分立元件电路中的无源元件和有源元件相比价格低，且容易实现
– 与分立元件电路设计相反，集成电路中晶体管随手可得而且所占面
积越来越小，而无源元件却因占用面积较大，代价昂贵。并且由于
要兼顾整体性能，尤其是晶体管的性能，集成无源元件的品质常常
差强人意，因此无源元件的大量使用对集成显然是不利
– 随着工艺的发展，当晶体管性能已经获得大幅度的提高，无源元件
逐步成为电路集成的瓶颈时，改进工艺就显得有必要。例如CMOS工
艺，目前已经出现所谓的RF CMOS和混合信号(Mixed-Signal) CMOS，
它们与传统CMOS工艺的最显著区别就在于提供了较高品质的无源元
件
• 集成无源元件的选择依据：成本(占用面积小)、品质因数、工作
频率、寄生参数、容差(Tolerance)、匹配(Matching)、稳定性(温
度系数)、线性度(是否随电压变化)等
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• 集成电路中的 “层” (Layer)
– 集成电路是在一块基座上不同几何尺寸的不同材料的堆砌
• 基座：衬底(Substrate)，机械支撑作用，构成元件的基本材料
• 半导体：不同掺杂浓度的半导体材料，主要用于形成有源器件
• 绝缘层：二氧化硅等，用作隔离和介质
• 连接层：金属、多晶硅，器件之间的连接；可构成电阻、电容、
电感
– 硅(CMOS)工艺中的物理层
•P型或N型硅衬底，典型电阻率约10Ω-cm，数百微米厚
•P阱、N阱(P-well, N-well)，方块电阻>1kΩ，制作晶体管的基础，阱与
阱之间，阱与衬底之间具有隔离作用
•P型和N型扩散层(P-diff, N-diff)，MOS管的源、漏极
• 多晶硅 (Polysilicon或Poly)
• 金属 (M1，M2，…..)
• 接触孔 (Contacts, Metal-Si) 和过孔 (Vias, Metal-Metal)
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– 砷化镓金属-半导体场效应管(GaAs MESFET)工艺中的物理层
• 半绝缘砷化镓衬底
•N型砷化镓半导体
• 金属栅和金属连接层
• 欧姆接触和过孔
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• 趋肤效应(Skin Effect)
– 趋肤深度
其中 f：频率，µ: 磁导率，σ: 电导率
– 距离导体表面(或底面) x处的电流密度为 J=J
0
e
-x /
δ
(A/m
2
)，如
果导体厚度为t，宽度为w，那么流过导体的总电流为
– 所以导体的有效厚度为
– 其等效电阻为
µσπ
δ
f
1
=
)1()()(
/
0
/
00
0
δδ
δ
tx
tt
ewJdxweJdxwJI
−−
−=⋅=⋅=
∫∫
)1(
/
δ
δ
t
eff
et
−
−=
σδ
ρ
δ
)1(
/t
eff
ew
l
wt
l
R
−
−
==
