Các dây dẫn, các nút nối thông và các transistor đều tạo ra các thành phần ký sinh trong mạch. Trong khi cảm kháng ký sinh không phải là vấn đề quan trọng trong công nghệ sản xuất mạch tích hợp hiện nay, thì các dung kháng và trở kháng ký sinh lại có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng hoạt động của mạch. Do đó, hiểu được các tính chất cấu trúc của các thành phần tạo ra các yếu tố ký sinh là cực kỳ quan trọng, cũng như cách để có thể ước lượng các tham số này từ layout của mạch.
Các dung kháng ký sinh dây dẫn khuếch tán là các dung kháng ký sinh do các lớp tiếp giáp p-n tại các biên của vùng khuếch tán với các cấu trúc ống bên dưới hoặc với đế. Các dung kháng này thay đổi theo điện áp giữa hai đầu vùng tiếp xúc, và nó thay đổi trong quá trình hoạt động của mạch. Và chúng ta thường giả thiết chúng có giá trị tương ứng với giá trị trong trường hợp xấu nhất. Để việc đo lường dung kháng ký sinh dây dẫn khuếch tán một cách chính xác, chúng ta cần phải tính toán riêng rẽ cho phần đáy và các phần bên của dây - bởi vì mật độ tạp chất cũng như các tính chất của lớp tiếp xúc thay đổi theo độ sâu. Để đo lường dung kháng ký sinh toàn bộ, chúng ta đo lường vùng diện tích khuếch tán, gọi là dung kháng phía tường đáy, và phần chu vi, gọi là dung kháng phía tường bên (sidewall), như minh họa trong hình 2.19 [1] và tính tổng các kết quả tìm được.
Hình 2.19Minh họa các dung kháng của vùng khuếch tán
Dung kháng vùng lép (vùng nghèo - depletion) được tính bởi công thức:
d si j x C 0 (2.5)
Biểu thức này còn được gọi là dung kháng vùng lép với phân cực bằng không (zero- bias), nghĩa là giả sử rằng điện áp bằng không và có một sự thay đổi đột ngột mật độ tạp chất từ Na sang Nd. Vùng lép với bề rộng xd0 được minh họa trong hình 2.19 là vùng màu đen; vùng này chia tách giữa các vùng n+ và p+ của tiếp giáp. Bề rộng vùng lép được tính bởi công thức:
36 q V N N x si bi d a d 2 ) 1 1 ( 0 (2.6)
Trong đó, điện áp built-in được cho bởi công thức:
) ln( 2 i d a bi n N N q kT V (2.7)
Dung kháng lớp tiếp xúc là một hàm của điện áp giữa hai đầu tiếp xúc Vr và được xác định bởi công thức: bi r j r j V V C V C 1 ) ( 0 (2.8)
Công thức 2.8 cho thấy dung kháng tiếp giáp giảm khi điện áp phân cực ngược tăng. Khác với khái niệm dung kháng tiếp xúc vừa được đề cập, như chúng ta đã biết khi có các bản cực song song chúng sẽ tạo thành tụ điện. Do đó, chúng ta cũng phải ước lượng diện tích và chu vi của các lớp tương ứng để ước lượng dung kháng cho các dây dẫn si-líc đa tinh thể và dây dẫn kim loại. Đầu tiên là khái niệm dung kháng đĩa (plate capacitance) trên một đơn vị diện tích được tính toán với giả thiết các đĩa song song vô tận. Trong thực tế, chúng ta phải xem xét đến sự thay đổi điện trường ở các vùng biên của đĩa, và để mô tả khái niệm này người ta đưa ra khái niệm dung kháng rìa (fringe capacitance) trên đơn vị chu vi. Các dung kháng này được minh họa trong hình 2.20 [1]. Các dung kháng có thể được tạo ra từ các tụ tạo thành bởi các dây dẫn. Trong các công nghệ truyền thống, các dung kháng ký sinh có tính quyết định (dominant) là dung kháng tạo bởi các tụ được tạo thành do dây dẫn và đế với lớp ô-xít si-líc là lớp cách điện giữa các đĩa song song tương ứng.
Hình 2.20Minh họa các dung kháng của vùng khuếch tán
Tuy nhiên, khi số lượng các lớp kim loại tăng lên và dung kháng lớp đế giảm xuống, dung kháng ký sinh sinh ra bởi các tụ ký sinh tạo bởi các dây dẫn dần trở thành quan trong hơn. Lúc này thì các bề mặt song song của hai lớp khác nhau và của các dây dẫn trong cùng một lớp đều cơ bản là các bản cực tụ gây ra dung kháng. Dung kháng ký sinh giữa hai dây dẫn trên hai lớp khác nhau, chẳng hạn như Cm1m2 trong minh họa hinh 2.21[1], phụ thuộc vào diện tích các dây bao trùm nhau. Trong công nghệ sản xuất 0,5m, dung kháng đĩa giữa lớp kim loại một và hai vào khoảng 0,3fF/cm2 và giữa lớp kim loại một và ba vào khoảng 0,1fF/cm2.
37 Khi hai dây dẫn thuộc các lớp khác nhau chạy song song nhau dọc theo một khoảng cách nhất định, với các dây có sự trùng phủ, thì dung kháng giữa các lớp này có thể trở lên rất lớn. Dung kháng giữa các dây dẫn trong cùng một lớp, chẳng hạn như Cw1w2 minh họa trong hình 2.21, được tạo bởi các cạnh thẳng đứng của các dây dẫn kim loại. Vì các dây dẫn kim loại thường có chiều cao lớn hơn bề rộng của chúng, các thành dựng đứng trở thành các tụ điện ký sinh không thể bỏ qua. Tuy nhiên, dung kháng sinh ra bởi các tụ ký sinh kiểu này phụ thuộc vào khoảng cách giữa các dây dẫn. Các giá trị được đưa ra trong một tiêu chí kỹ thuật của một quá trình sản xuất thường tương ứng với các dây có độ phân tách (separation) tối thiểu. Dung kháng của các tụ ký sinh sinh ra bởi các dây dẫn này giảm theo hệ số 1/x khi khoảng cách giữa các dây dẫn tăng. Cũng tương tự, khi các dây dẫn trong cùng một lớp chạy song song với nhau trên một đoạn dài thì dung kháng tạo ra có thể trở lên rất lớn.
Hình 2.21Minh họa các dung kháng của vùng khuếch tán
Trở kháng dây dẫn cũng có thể được tính toán bằng cách đo lường kích thước của các dây dẫn trong layout. Tuy nhiên chú ý là đơn vị trở kháng lúc này là Ôm trên đơn vị diện tích vuông (/), chứ không phải Ôm trên đơn vị m2. Trở kháng của một đơn vị vuông của vật liệu là giống nhau cho một hình vuông với mọi kích thước. Để hiểu rõ, chúng ta xem xét minh họa 2.22 [1]. Giả sử rằng một đơn vị vuông của vật liệu có trở kháng 1. Khi đó, hai đơn vị vuông vật liệu nối song song sẽ có trở kháng là 1/2. Nếu nối hai hình chữ nhật như vậy nối tiếp nhau tạo thành một hình vuông kích thước 22 thì trở kháng là 1. Như vậy, chúng ta có thể đo lường trở kháng của dây dẫn bằng các đo lường tỷ lệ các cạnh (aspect ratio) của nó.
Hình 2.22Minh họa các dung kháng của vùng khuếch tán