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1、1,第2章 集成电路中的晶体管及其寄生效应,2.1 集成电路中的双极晶体管模型 2.2 集成双极晶体管的有源寄生效应 2.3 集成双极晶体管的无源寄生效应 2.4 集成电路中的PNP管 2.5 集成二极管 2.6 肖特基势垒二极管(SBD)和肖特基箝位晶体管(SCT) 2.7 MOS集成电路中的有源寄生效应 2.8 集成电路中的MOS晶体管模型,2,2.1 BJT的模型,器件模型把器件的物理参数与器件的端特性相联系数学描述,设计器件,设计电路,BJT模型分类,模型的精度和复杂度,直流模型（大信号） 交流模型（小信号） 瞬态模型（突变信号） EM模型 （Ebers-Moll model) GP模
2、型 （CummelPoon model） 电荷控制模型,3,p-n结二极管的分析和模拟是双极结型晶体管（BJT）原理和模拟的基础。BJT是由两个背靠背的p-n结，并由一个半导体簿区串联而成的。虽然分立的二极管没有放大作用，但是当它们由一个纯的单晶，结构完整的半导体簿区耦合起来时，这种器件就变成了有源器件，并具有好的功率增益。在发射结处于正向偏压（低阻抗），而集电极处于反向偏压（高阻抗）下，由发射结注入的少子电流几乎全部输运到集电结，使器件具有放大作用。当器件状态处于有源区时，就有功率增益。,NPN双极型 晶体管示意图,4,NPN BJT是两个半导体晶体的n型区由中间的p型区耦合起来的；而PNP
3、 BJT是两个p型区由中间的n型区耦合起来的。实际上，所有三个区域都是半导体单晶的一部分。在这种器件中，电流的描述涉及空穴和电子的运动，所以称作为双极型晶体管。,6,加上Kirchoff定律规定的二个方程： 构成四个方程。假如Aij确定的话，四个方程中还有6个未知的电流和电压参数。如果给出二个电流或电压值，其它四个电流与电压值就可确定。这四个公式对于晶体管模拟是非常有用的，尤其是在计算机辅助电路分析中，而且并不仅仅限制在低水平注入条件。这些方程通常称为Ebers-Moll方程。,7,EM模型 （Ebers and Moll，1954）最简单的模型,1、基本模型,由两个背靠背的二极管和两个电流源
4、组成 假设正反向电流相互独立，在大注入时不适用,模型参数： IFO，IRO,四个参数中只有三个是独立变量,8,2、改进的EM模型,计入了串联电阻、耗尽电容、并用电流源描述early效应,9,10,11,2.2 集成双极晶体管的有源寄生效应,双极型逻辑IC中，广泛使用的有源器件是NPN管，二极管可利用不同的晶体管或单独的pn结制得，设计时要考虑：芯片利用率和寄生效应。 有源寄生效应影响集成电路的直流特性和瞬态特性，是极其有害的；而无源寄生仅影响电路的瞬态特性。,12,分离双极型NPN晶体管（BJT）的结构,双极晶体管包括NPN管和PNP管，而集成双极晶体管是以NPN管为主。,13,集成电路中的元
5、件都做在同一衬底上，因此，其结构与分离器件有很大的不同。所谓理想本征集成双极型晶体管，是指在对其进行分析时，不考虑寄生效应。,实际IC中的晶体管结构，具有系列多维效应。但在近似分析其直流特性时，可简化为一维结构。,14,集成NPN的结构与寄生效应,为了在一个基片上制造出多个器件，必须采用隔离措施，pn结隔离是一种常用的工艺。在pn结隔离工艺中，典型NPN集成晶体管的结构是四层三结构，即NPN管的高浓度n型扩散发射区-NPN管的p型扩散基区-n型外延层（NPN管的集电区）-p型衬底四层，以及四层之间的三个pn结这样的工艺结构。,15,图2.1 NPN晶体管的结构示意图,16,由于存在寄生PNP晶
6、体管，因此与分立晶体管有很大的差别。实际的集成电路中，衬底始终结最负电位，以保证各隔离岛之间的电绝缘，所以寄生PNP不会严重影响集成电路的正常工作。 模拟IC中，NPN: 截止区和正向工作区寄生PNP发射结是反偏的； 数字IC中，NPN: 饱和或反向工作状态寄生PNP处于正向工作区。所以对数字集成电路来说，减小寄生PNP管的影响显得特别重要。,17,18,pn结隔离,pn结隔离是利用反向pn结的大电阻特性实现集成电路中各元器件间电性隔离方法。常规pn结隔离在工艺上是通过隔离扩散扩穿外延层而与p衬底连通上实现的，（或称各隔离墙均有效）；应该强调的是，采用常规pn结隔离工艺制造的集成电路在使用时必
7、须在电性能给予保证，即p衬底连接电路最低电位（保证隔离pn结二极管处于反向偏置）。,19,集成NPN管的有源寄生效应,四层三结结构 ：典型集成晶体管的四层三结结构-指NPN管的高浓度n型扩散发射区N+-NPN管的p型扩散基区-n型外延层（NPN管的集电区）nepi （ epitaxial 外延的）-p型衬底四层p-Si ，以及四层之间的三个pn结这样的工艺结构EB（ EmitterBase ）结 、BC（ Base-Collector ）结、 CS结（ Collector-Substrate ） 。 寄生PNP管处于放大区的三个条件： (1) EB结正偏（即NPN管的BC 结正偏） (2) B
8、C结反偏（即NPN管的CS 结反偏） (3) 具有一定的电流放大能力（一般 pnp=13） 其中，条件(2)永远成立，因为pn结隔离就是要求衬底P+隔离环接到最低电位。条件(3)一般也很容易达到。条件(1)能否满足则取决于NPN管的工作状态。,20,NPN管工作于截止区 VBC(npn)0 VBC(pnp)0,寄生PNP 管截止,NPN管工作于放大区 VBE(npn)0 VBC(npn)0 VBC(pnp)0,寄生PNP管截止,21,NPN管工作于饱和区 VBE(npn)0 VBC(npn)0 VEB(pnp)0 VCS (npn)0 VBC(pnp)0,寄生PNP管处于 放大区,NPN管工作
9、于反向工作区 VBE(npn)0 VEB(pnp)0 VCS (npn)0 VBC(pnp)0,寄生PNP管处于放大区,22,抑制有源寄生效应的措施： （1）在NPN集电区下加设n+埋层，埋层的作用有两个，其一，埋层的下反扩散导致增加寄生PNP管的基区宽度，使非平衡少数载流子在基区的复合电流增加，降低基区电流放大系数pnp；其二，埋层的n+上反扩散导致寄生 PNP管基区掺杂浓度增大，基区方块电阻减小，由晶体管原理可知，这将导致发射效率下降从而使寄生 PNP管电流放大系数降低，还可降低rcs。综上所述，各作用的结果使寄生PNP管的电流放大系数降至0.01以下，则有源寄生转变为无源寄生，仅体现为势
10、垒电容的性质。,23,（2）可采用外延层掺金工艺，引入深能级杂质，降低少子寿命，从而降低 。掺金工艺是在NPN管集电区掺金（相当于在PNP管基区掺金）。掺金的作用，使PNP管基区中高复合中心数增加，少数载流子在基区复合加剧，由于非平衡少数载流子不可能到达集电区从而使寄生PNP管电流放大系数大大降低。 （3）还应注意，NPN管基区侧壁到P+隔离环之间也会形成横向PNP管，必须使NPN管基区外侧和隔离框保持足够距离。,24,2-3,25,集成双极晶体管的无源寄生效应,电荷存储效应,无源寄生效应,欧姆体电阻,26,集成电路中的无源寄生将影响集成电路的瞬态特性，而无源寄生元件主要是寄生结电容。pn结电
11、容的大小与结的结构和所处的状态有关，即与pn结上所加的偏压有关；与pn结的面积有关，在pn结的面积计算时，注意其侧面积为四分之一圆柱面积，这是由于扩散形成电性区时存在横向扩散所致；且与pn结面是侧面还是底面有关。因此，在考虑计算寄生结电容时，必须和pn 结的实际结构结合起来，还必须和pn 结在某个瞬态过程中实际电性状态变化结合起来。,27,28,采用磷穿透工艺可进一步降低 rcs,2-6,29,介质隔离-使用绝缘介质取代反向pn结，实现集成电路中各元器件间电性隔离方法。 等平面隔离工艺是一种混合隔离工艺，在实现集成电路中各元器件间电性隔离时，既使用了反向pn结的大电阻特性，又使用了绝缘介质电性
12、绝缘性质的方法。,30,采用等平面隔离技术的 NPN晶体管的截面图,31,U型槽隔离,32,2.4 集成电路中的PNP管 横向PNP管、纵向PNP管的结构与特点 由于模拟集成电路中要应用NPN-PNP互补设计以及某些偏置电路极性的要求，需要引入PNP结构的晶体管。图A 示出集成电路中的两种PNP型管。其中，横向PNP管广泛应用于有源负载、电平位移等电路中。它的制作可与普通的 NPN管同时进行，不需附加工序。采用等平面隔离工艺的横向 PNP管的基本图形和结构如图6-1所示，其中心 p型发射区和外围 p型区是与普通NPN管基区淡硼扩散同时完成的，而基区即为外延层。在横向PNP管中，发射区注入的少子
13、（空穴）在基区中流动的方向与衬底平行，故称为横向 PNP管。,33,图A 集成电路中的PNP型晶体管,34,横向PNP管 Lateral PNP transistor,小 BVEBO高 频率响应差 临界电流小,35,74,36,+,-,37,38,公共的集电极CC,公共的发射极EC,公共的 基极BC,39,横向PNP晶体管的主要特点： BVEBO高，主要是由于xjc深，epi高之故。 电流放大系数小，主要原因： 由于工艺限制，基区宽度不可能太小； 纵向寄生PNP管将分掉部分的发射区注入电流，只有侧壁注入的载流子才对横向PNP管的 有贡献。 基区均匀掺杂，无内建加速电场，主要是扩散运动。 表面迁
14、移率低于体内迁移率。 基区的表面复合作用。,40, 频率响应差 平均有效基区宽度大，基区渡越时间长。 空穴的扩散系数仅为电子的1/3。 发生大注入时的临界电流小 横向PNP的基区宽度大，外延层Nepi低，空穴扩散系数低。 击穿电压主要取决于CE之间的穿通。提高击穿电压与增大电流增益是矛盾的。,41,42,公共的 基极BC,43,复合管电路, 1 2,复合NPN型,复合PNP型,44,复合管电路, 1 2,晶体管的类型由复合管中的第一支管子决定。,复合NPN型,复合PNP型,45,复合管电路,（1）图（a）（d）中T1 管的IC1 均为1IB1，方向：图（a）、（b）电路自上而下，（c）、（d）
15、电路自下而上。图（a）（d）中T2 管的电流IC2为12 IB1， 方向：（a）、（b）电路由上向下，（c）、（d）电路从下向上。 （2）复合管类型由第一管决定，（a）、（b）为NPN 型，（c）、（d）为PNP 型。 （3）值均为12，,几个晶体管复合能增大电流放大系数，用在电压放大级能增大电压放大倍数，用在输出级能增大电路的负载能力。,46,衬底PNP管Substrate PNP transistor (纵向PNP管) 纵向PNP管其结构如图2.18所示。它以P型衬底作集电区，集电极从浓硼隔离槽引出。N型外延层作基区，用硼扩散作发射区。由于其集电极与衬底相通，在电路中总是接在最低电位处，这
16、使它的使用场合受到了限制，在运放中通常只能作为输出级或输出缓冲级使用。,47,图2.18 纵向PNP管（衬底PNP晶体管）,48,衬底 PNP,此图有误，不应有埋层,49,纵向PNP管主要特点： 纵向PNP管的C区为整个电路的公共衬底，直接最负电位，交流接地。使用范围有限，只能用作集电极接最负电位的射极跟随器。 晶体管作用发生在纵向，各结面较平坦，发射区面积可以做得较大，工作电流比横向PNP大。 因为衬底作集电区，所以不存在有源寄生效应，故可以不用埋层。,50,外延层作基区，基区宽度较大，且硼扩散p型发射区的方块电阻较大，因此基区输运系数和发射效率较低，电流增益较低。 由于一般外延层电阻率epi较大，使基区串联电阻较大。可采取E、B短接的方式，使外基区电阻=0，同时减小了自偏
