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1、国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 1 第二章 集成电路中的元器件 及其寄生效应 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 2 元器件是组成集成电路的基本元 素 其结构和性能直接决定着集成电 路的性能 集成电路中的元器件因为要做在 同一衬底上 因此不同于分离器件 会存在寄生效应 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 3 2 1 集成电路中的 NPN晶体管 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 4 思考题 1 集成NPN管与分立NPN管有什么不同 2 有源寄生效应有何影响 如何减小或消除 3 无源寄生有何影响 4 NPN管图形尺寸与其主要参数之间有什么关系 5 NPN管常用图形各自
2、的特点是什么 6 超增益管BC结的偏压为什么要限制在0伏左右 7 超增益管的发射区通常采用什么图形 为什么 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 5 2 1 1 集成NPN晶体管的结构 E N B P C N NPN S P PNP 平面图 P Sub N epi P P P N N CEB 剖面图 E B C S N P N P 等效结构图 等效电路图 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 6 2 1 2 集成NPN晶体管与分立NPN晶体管的差别 P Sub N epi P P P N N CEB E N B E C B NPN S C PNP 1 四层三结结构 构 成了一个寄生的P
3、NP 晶体管 有源寄生 2 电极都从上表面引 出 造成电极的串联 电阻和电容增大 无 源寄生 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 7 2 1 3 集成NPN晶体管的有源寄生效应 1 NPN晶体管正向有源时 P Sub N epi P P P N N CEB E N B E C B NPN S C PNP VBC0 VSC0 寄生PNP晶体管截止 等效为寄生电容 反偏 正偏 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 8 2 1 3 集成NPN晶体管的有源寄生效应 1 NPN晶体管正向有源时 P Sub N epi P P P N N CEB E N B E C B NPN S C PNP
4、VBC0 VSC0 寄生PNP晶体管截止 等效为寄生电容 E N B P C N NPN CJS 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 9 2 1 3 集成NPN晶体管的有源寄生效应 2 NPN晶体管饱和或反向有源时 P Sub N epi P P P N N CEB E N B P C N NPN S P PNP VBC 0 VBE 0 VSC0 寄生PNP晶体管正向有 源导通 有电流流向衬底 影响NPN晶体管的 正常工作 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 10 2 1 3 集成NPN晶体管的有源寄生效应 3 减小有源寄生效应的措施 P Sub N epi P P P N N C
5、EB 增加n 埋层 加大了寄生PNP晶 体管的基区宽度 形成了寄生PNP晶 体管基区减速场 E N B P C N NPN S P PNP 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 11 2 1 4 集成NPN晶体管的无源寄生效应 P Sub N epi P P P N N CEB Cjs Cjs Cjs Cjc Cjc CjE CjE rc3 rc1 rc2 rES rB 集成双极晶体管除了存在有源寄生效应 外 还存在电阻 电容等无源寄生效应 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 12 2 1 4 集成NPN晶体管的无源寄生效应 1 集成NPN晶体管中的寄生电阻 1 发射极串联电阻rES
6、 发射极串联电阻由发射极金属和硅的 接触电阻rE c与发射区的体电阻rE b两部分组 成 rES rE c rE b 2 集电极串联电阻rCS 由于集成晶体管的集电极是从表面引 出的 因此集电极串联电阻rCS大于分立 晶体管的集电极串联电阻 如图所示 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 13 2 1 4 集成NPN晶体管的无源寄生效应 忽略引出端N 接触区的接触电阻和体电阻 则 rCS rC1 rC2 rC3 3 基区电阻rB 集成晶体管和分立晶体管一样 从基极 接触孔到有效基区之间存在相当大的串联电 阻 由于集成晶体管的各电极都与表面引出 所以其基极电流平行于发射结和集电结之 间 是横
7、向流动的 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 14 2 1 4 集成NPN晶体管的无源寄生效应 2 集成NPN晶体管中的寄生电容 集成晶体管中寄生电容分成以下三类 1 与PN结有关的耗尽层势垒电容Cj 2 与可动载流子在中型区的存储电荷 有关的扩散电容CD 3 电极引出线的延伸电极电容Cpad 低 频下 Cpad 很小 可忽略不记 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 15 2 1 4 集成NPN晶体管的无源寄生效应 1 集电极寄生电阻 wcwe dce le lc hc hb R1 epi hc lc wc R5 epi hb le we R2 wc lc R BL 1 3 R4
8、we le R BL 1 3 R3 R BL dce lc le 2 R1 R5 R4R2R 3 a 估 算 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 16 2 1 4 集成NPN晶体管的无源寄生效应 1 集电极寄生电阻 b 减小集电极串联电 阻措施 n 埋层 穿透磷扩散 薄外延 图形结构和尺寸 wcwe dce le lc hc hb R1 R5 R4R2R 3 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 17 2 1 4 集成NPN晶体管的无源寄生效应 2 基极和发射极寄生电阻 R1 R3R 2 基极串联电阻引起 发射极电流集边效应 还影响高频增益和噪声 性能 主要由R1 R2 R3决定 发
9、射极串联电阻很 小 一般可以忽略 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 18 2 1 4 集成NPN晶体管的无源寄生效应 3 寄生电容 寄生电容包括 发射结电容 集电结电容 隔离结电容 PN结电容包括 PN结势垒电容 PN结扩散电容 有底面和侧面电容 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 19 2 1 5图形尺寸与晶体管特性参数的关系 1 电流容量与发射区条长的关系 电流集边效应 使最大工作电流正比于 有效发射极周长 IEmax LE eff 发射极单位有效周长最大工作电流 模拟电路一般取 0 04 0 16 mA m 逻辑电路一般取 0 16 0 4 mA m Le LE eff 2
10、Le 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 20 2 1 5图形尺寸与晶体管特性参数的关系 2 饱和压降与集电极寄生电阻的关系 集电极串联电阻 使晶体管饱和压降提高 Vces Vceso Ic rces 其中本征饱和压降 Vceso 0 1V 3 频率特性与寄生电阻 电容的关系 1 4 reCe 1 T 2 Wb2 5Dnb rces Cc c Vm 1 2 rcesCjs T比分立器件低得多 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 21 2 1 6 集成NPN晶体管常用图形及特点 1 单基极条形 结构简单 面积小 寄生电容小 电流容量小 基极串联电阻大 集电极串联电阻大 P Sub N
11、 epi P P P N N CEB 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 22 2 1 6 集成NPN晶体管常用图形及特点 2 双基极条形 与单基极条形相比 基极串联电阻小 电流容量大 面积大 寄生电容大 N epi P P N N CEB P Sub P B N 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 23 2 1 6 集成NPN晶体管常用图形及特点 3 双基极双集电极形 与双基极条形相比 集电极串联电阻小 面积大 寄生电容大 N epi P P N N CEB P Sub P B N N C 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 24 2 1 6 集成NPN晶体管常用图形及特点
12、 4 双射极双集电极形 与双基极双集电极 形相比 集电极串联电阻小 面积大 寄生电容大 N epi P P N N C P Sub P N N C B N EE 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 25 2 1 6 集成NPN晶体管常用图形及特点 5 马蹄形 电流容量大 集电极串联电阻小 基极串联电阻小 面积大 寄生电容大 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 26 2 1 6 集成NPN晶体管常用图形及特点 6 梳状 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 27 2 1 7超增益晶体管 P Sub N epi P P P N N C EB 提高发射区浓度 重掺杂理论 降低基区浓度
13、 同时采用高阻外延 减薄基区宽度 加深发射结深度或 减小集电结的深度 选择高寿命材料 改善表面态 PN N P P N N 1 提高NPN管 值的途径 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 28 2 1 7超增益晶体管 N epi P P N N CE B P Sub N epi P P P N N CE B N N 普通NPN管 超增益NPN管 2 扩散穿通型超增益管 双磷扩散结构 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 29 2 1 7超增益晶体管 N epi P P N N CE B P Sub N epi P P P N N CE B 普通NPN管 超增益NPN管 P 3 扩散穿
14、通型超增益管 双硼扩散结构 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 30 2 1 7超增益晶体管 P Sub N epi P P P N N CEB P N N N N 采用圆形发射区 周界短 受表面态 影响小 应用时BC结偏置限 制在0V左右 减小基 区宽度调制的影响 4 扩散穿通型超增益管 的特点 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 31 2 1 8 练习 1 分别画出单基极条形和双基 极双集电极结构的NPN晶体管的剖 面图 并说明埋层的作用 2 说明寄生PNP管在NPN管工作 在不同区时的影响 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 32 2 2 横向PNP管 国际微电子中心
15、集成电路设计原理 韩 良 33 思考题 1 设n 埋层对横向PNP管有什么好处 2 可控增益横向PNP管的原理是什么 3 横向PNP管的发射区为何选用较小的面积 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 34 2 2 1 横向PNP管的结构和有源寄生效应 E CB B B PNP E E1 C E2 S C1 S C2 E B C S P N P P N 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 35 2 2 1 横向PNP管的结构和有源寄生效 1 横向PNP管工作在正向工作区 时 其BC结始终处于反偏 VBC 0 而集成电路中衬底总是接 最低点位 所以横向PNP的集电 区C E2 与外延层N
16、 epi B 及P型 衬底 C2 形成的寄生PNP截止 而横向PNP的发射区E E1 与外 延层N epi B 及P型衬底 C1 形成 的寄生PNP管则因VBE 0 而处于 正向工作区 纵向PNP管的影响 B B PNP E E1 C E2 S C1 S C2 PNP管正向工作 VBE 0 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 36 2 横向PNP管工作在反向工作区 时 其BE结始终处于反偏 VBE 0 横向PNP的发射区E E1 与 外延层N epi B 及P型衬底 C1 形 成的寄生PNP截止 而横向PNP 的集电区C E2 与外延层N epi B 及P型衬底 C2 形成的寄生PNP管 则因VBC 0 VBC 0 B B PNP E E1 C E2 S C1 S C2 2 2 1 横向PNP管的结构和有源寄生效 国际微电子中心 集成电路设计原理 韩 良 37 3 横向PNP管工作在饱和区时 VBE 0 VBC 0 因而 横向 PNP的发射区E E1 与外延层N epi B 及P型衬底 C1 形成的寄生 PNP管和横向PNP的集电区C E2 与外延层N epi B 及P型衬底 C
