引言
在集成电路设计中，版图（Layout）是连接电路原理图与实际芯片制造的关键环节。一个优秀的版图设计不仅要实现电路功能，更要优化性能、减小寄生效应、提高良率。 本文将通过图例，带您了解芯片设计中几种典型器件的版图构成。
1. 电阻器（Resistor）Layout图例
电阻器是集成电路中最基本的无源器件之一。在版图设计中，电阻器的阻值由其材料的薄层电阻（Sheet Resistance）和几何形状决定。以下图例展示了不同形状的电阻以及其阻值计算。
1.1 薄层电阻与电阻形状
上图展示了三种不同形状的导电薄膜：
(a) 直线形电阻：宽度Wa=2，长度La=20。
(b) 直线形电阻：宽度Wb=1，长度Lb=10。
(c) L形电阻：由两段宽度Wc=1，长度Lc=10的导电薄膜组成。由于L形转角处的电流分布不均匀，其有效电阻Rc≈9R□，略小于简单的长度叠加计算结果。
这说明在实际版图设计中，需要考虑转角等几何效应，以精确控制电阻值。但芯片的电阻通常是不准确的（有很多因素会影响阻值精度），设计者更多是使用电阻比例来替代直接使用电阻值。
1.2 不同类型的集成电阻器
上图展示了三种常见的集成电阻器类型及其版图和截面示意图：
NSD电阻器：利用n+扩散区作为电阻体。
PSD电阻器：利用p+扩散区作为电阻体。
Nwell电阻器：利用N阱作为电阻体。
这些电阻器在版图上通过接触孔（Contact）与金属层连接。选择不同类型的电阻器取决于 所需的阻值范围、精度、温度系数以及与工艺的兼容性。
2. MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）Layout图例
MOSFET是集成电路中最核心的器件，其版图设计直接影响电路的性能。以下图例展示了MOSFET的平面版图、截面图以及其对应的电路符号。
2.1 NMOS晶体管的版图与结构
上图展示了一个NMOS晶体管的版图（左侧）、两个不同方向的截面图（中间）以及其电路 符号（右侧）。
版图（Layout）：
从上方俯视，可以看到不同层（如Active、Poly、Metal1、Cont） 的几何形状和相对位置。其中，Poly（多晶硅）层形成栅极（G），Active（有源区）形成源极（S）和漏极（D），并通过Cont（接触孔）和Metal1（金属1）与外部电路连接。B表示衬底连接。
截面图（Sectional View）：
截面(i)展示了栅极、源极、漏极以及衬底的垂直结构，可以看到有效沟道长度（l_eff）和栅极长度（l）。 截面(ii)展示了晶体管的宽度（w）。
2.2 PMOS晶体管的版图与结构
与NMOS类似，上图展示了一个PMOS晶体管的版图、截面图和电路符号。 PMOS晶体管通常构建在N阱（Nwell）中，其源极和漏极是p+扩散区（PSD）。
2.3 MOSFET的多指结构与布局技巧
当需要设计大尺寸MOSFET时，通常会采用多指结构（Multi-finger Structure），即将一个大尺寸晶体管分解为多个并联的小尺寸晶体管。这种方法有以下优点：
降低寄生效应：减小栅极电阻和寄生电容。
改善匹配性：通过交错排列（Interdigitation）等布局技巧，提高器件之间的匹配精度。
散热：有助于分散热量，改善器件的可靠性。
上图展示了一个W=20，L=2的MOSFET如何通过“分裂（Split）”、“翻转（Flip）”、“堆叠 （Pack）”和“布线（Route）”等步骤，形成一个由多个W=5，L=2的小尺寸晶体管组成的多指结构。这种布局技巧在模拟电路中非常常见，用于优化器件性能和版图面积。
3. 电容器（Capacitor）Layout图例
电容器在模拟电路中用于滤波、耦合、频率补偿等。集成电路中的电容器有多种实现方式， 以下展示几种常见的电容器版图。
3.1 NMOS电容器
NMOS电容器利用MOSFET的栅极与沟道之间的电容效应。上图展示了NMOS电容器的版图、截面图以及其电路符号。其中，C1和C2分别代表电容器的两个端点。
3.2 Nwell电容器
Nwell电容器利用N阱与衬底之间的PN结电容。上图展示了Nwell电容器的版图、截面图以及其电路符号。这种电容器通常具有较低的电容密度，但可以提供较大的电容值。
3.3 MIM（Metal-Insulator-Metal）电容器
MIM电容器是利用两层金属之间夹一层介质形成的电容器，具有较高的电容密度和较好的线性度。上图展示了MIM电容器的版图、截面图以及其电路符号。通常，MIM电容器由多层金属和介质堆叠而成，以实现更大的电容值。
总结
通过对电阻器、MOSFET和电容器这三种典型集成电路器件的版图图例解析，我们可以看到，模拟集成电路的版图设计是一项精细且充满挑战的工作。它不仅需要深厚的电路知识， 更需要对半导体工艺和版图技巧的深刻理解。每一个器件的布局、尺寸和互连方式都可能对最终的电路性能产生决定性的影响。
来源：Top Gun实验室
关键词：
芯片
版图图例
