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双极型模拟集成电路抗辐射加固技术
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集成电路工程基础研讨
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2012-02 集成电路设计 第二章 集成电路工艺基础(续) 2.3 集成电路中的元件 集成电路是将多个器件及器件间的连线制作在同一个基片上，其器件结构与分立元件不同，存在寄生效应，即产生了寄生的有源器件和无源元件。这种寄生效应对电路的性能会产生一定的影响。通过对集成电路中常用元件的结构及其寄生效应的分析，考虑在IC设计中如何减小、消除、利用寄生效应。 一） 集成电路中的NPN晶体管 2.集成NPN晶体管的有源寄生效应 (1)NPN晶体管正向有源时 NPN管处于正向放大区或截止区 VBC&0(VBE&0),VSC&0(VBC&0) 衬底始终接最低电位，寄生PNP晶体管截止，等效为寄生电容
(2)NPN晶体管饱和或反向有源时 VBC&0(VBE&0),VSC&0 (VBC&0)
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。 （3）减小有源寄生效应的措施 增加n+埋层
①加大了寄生PNP晶体管的基区宽度 ②形成了寄生PNP晶体管基区减速场
3.集成NPN晶体管的无源寄生效应 集成双极晶体管存在寄生的电极串联和寄生的PN结电容等无源寄生效应。 (1)集成NPN晶体管中的寄生电阻 ①发射极串联电阻rES
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。忽略引出端N+接触区的接触电阻和体电阻，则
rCS=rC1+ rC2 +rC3 减小集电极串联电阻措施:
n+埋层电阻较小，旁路外延层电阻 穿透磷扩散，形成欧姆接触 薄外延 图形结构和尺寸：加宽集电极引线孔的宽度
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由表面引出，所以其基极电流平行于发射结和集电结之间，是横向流动的。
rB=rB1+ rB2=R3+R2+R1 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。 (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）PN结势垒电容Cj； （2）PN结扩散电容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。 4.图形尺寸与晶体管特性参数的关系 A、电流容量与发射区条长的关系 NPN晶体管的发射极“电流集边效应”使最大工作电流正比于有效发射极周长： 图形尺寸与晶体管特性参数的关系（续） B、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：
C、频率特性与寄生电阻、电容的关系 5.减小无源寄生效应的措施 1）对工作电流较大的晶体管应采用增加发射极有效周长的图形和尺寸 2）对要求饱和压降低的晶体管应采用减小集电极串联电阻的的图形和尺寸 加宽发射极条长、加宽集电极引线孔宽度 3）对要求特征频率较高的晶体管应采用较小面积的晶体管图形和尺寸，降低寄生电容；对最高振荡频率高的晶体管应采用基极串联电阻小的图形和尺寸 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 集成NPN晶体管常用图形及特点（续） （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
集成NPN晶体管常用图形及特点（续） （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 集成NPN晶体管常用图形及特点（续） （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 集成NPN晶体管常用图形及特点（续） （5）马蹄形（U型） 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 集成NPN晶体管常用图形及特点（续） （6）梳状 具有大的电流容量 7.超增益晶体管 (1)提高NPN管β值的途径 ①提高发射区浓度（重掺杂理论） ②降低基区浓度（同时采用高阻外延） ③减薄基区宽度 （加深发射结深度或
减小集电结的深度）
超增益晶体管（续） (2)扩散穿通型超增益管 采用后两种途径，形成两种结构 双磷扩散结构：增加一次N+发射区扩散 发射区结深更深，基区宽度变小，内基区杂质浓度变低，增益大大提高 双硼扩散结构：增加一次P+基区扩散 比普通管基区扩散的结深浅，浓度低，增益大大提高 基区接触孔处及外基区周围与普通管基区同时进行扩散，，以减小基
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第2章集成电路中的晶体管及其寄生效应
半导体 集成电路第二章 集成电路中的晶体 管及其寄生效应第2章 集成电路中的晶体管及 其寄生效应? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 双极晶体管的单管结构及工作原理 理想本征双极晶体管的EM模型 集成双极晶体管的有源寄生效应 集成双极晶体管的无源寄生效应 集成NPN晶体管的常用图形及其特点 横向PNP管和衬底PNP管 集成二
极管 肖特基势垒二极管和肖特基钳位晶体管 MOS集成电路中的有源寄生效应 MOS晶体管的单管结构及工作原理 MOS晶体管的常用图形22.1双极晶体管的单管结构及工作原理? 双极器件：两种载流子（电子和空穴）同时参与导电发 射 极 C发射区 N+发 射 基区 P 结收 集 结集电区 N集 电 极BEN+基极np结构特点：1. 发射区掺杂浓度最大， 集电极区次之，基区最小 2.基区宽度很窄一下以下讨论晶体管的四个工作区3EC N P NB 当发射结正偏（VBE&0)，集电结反偏（VBC&0)时，为正向工作区。电子流Ie=Ic+Ib 令 则共基极短路电 流增益I c ? ?I e ? I cbo ? ?I e空穴流??I c ? ?I b? 1??共射极短路电 流增益4正向工作区（npn管为例）? 发射结正偏，发射极发射电子，在基区中扩散前进， 大部分被集电极反偏结收集：I c ? ?I e ? I cbo ? ?I e? ( 小于且接近于1）? 具有电流放大作用：I c ? ?I b5EC N P NB当发射结正偏（VBE&0)，集电结也正偏（VBC&0)时(但注意，VCE仍大于0)，为饱和工作区。 1. 发射结正偏，向基区注入电子，集电结也正偏，也向基区注入电 子（远小于发射区注入的电子浓度），基区电荷明显增加（存在 少子存储效应），从发射极到集电极仍存在电子扩散电流，但明 显下降。 2.不再存在象正向工作区一样的电流放大作用，即 I c ? ?I b 不再成立。 3. 对应饱和条件的VCE值，称为饱和电压VCES，其值约为0.3V，深 饱和时VCES达0.1～0.2V。 6当发射结反偏（VBE&0),集电结也反偏（VBC&0) 时，为截止区。当VBC&0 ， VBE&0时，为反向工作区。即原来的发射极做集电极用，原来的集电极做发射极用。其工 作原理类似于正向工作区，但由于集电区的掺杂浓度低，因此 其发射效率低， ? R（反向工作时的发射极短路电流增益）很小 （约为0.02）。CENPNB反向工作区7共发射极的直流特性曲线三个区域： 饱和区 放大区 截止区82.2理想本征集成双极晶体管的EM模型两层一结二极管(单结晶体管)P-SiN-SiV VT反向饱 和电流I V其I-V特 性方程为：I ? I s 0 (e ? 1)IS0Dn nP 0 DP Pn 0 I(mA) 热电压 . ? Aq( ? ) T=300K,约为26mv Ln LPISOI ? I so (e ? 1)V VTA:结面积, D:扩散系数,L:扩散长度, pn0,np0:平衡少子寿命正方向V9二极管的等效电路模型+ VD -I ? I so (e ? 1)VD VT-正向偏置（闭合）+反向偏置（断开）10两结三层三极管(双结晶体管) 假设p区很宽，忽略两个PN结的相互作用，则：BIBEI DE ? I ES (e ? 1)IDCNV1 VTIEIDENPICCV1V2I DC ? I CS (e ? 1)V2 VT理想本征集成双极晶体管的EM模型11实际双极晶体管的结构 由两个相距很近的PN结组成：发 射 极 发射区 发 射 基区 结 收 集 结 集电区 集 电 极基极基区宽度远远小于少子扩散长度，相邻PN结 之间存在着相互作用12两结三层三极管(双结晶体管)I1 ? I ES (e ? 1) ? AI CS (e ? 1) I 2 ? BI ES (e ? 1) ? I CS (e ? 1)BV1 VT V2 VTV1 VTV2 VTIBEIEI1NPI2NICCV1V2A?I1 I2V 1? 0NPN管反向运用时 共基极短路电流增 益 IE ?? V 1? 0 ? ?? R ICI2 B? I1V 2?0IC ?? IEV 2?0? ?? FNPN管正向运用时 共基极短路电流增 13 益 理想本征集成双极晶体管的EM模型BJT的三种组态 14四层三结结构(多结晶体管)为什么这个结是 发射结？平 面 图等 效 B(P) 电 路 PNP 图 S(P)E(N+)NPNC(N) EN + P N P剖 面 P+ 图P-SubE B N P+CN+NC-epiP+等 效 B 结 构 图C S因为发射区的掺杂浓度大于集电区的掺杂浓度四层三结结构中晶体管的工作状态? 在实际的集成电路中，为了保证各隔离岛之间的绝缘，衬底都接 最负电位，即寄生晶体管的集电结始终处于反偏状态。因此寄生晶 体管只能工作在正向工作区或者截止区。四层三结晶体管的工作状态图如下所示。 VBC NPN管 反向工作区 NPN管 饱和区 PNP管正向工作区 0 VBEPNP管正向工作区NPN管 截止区PNP管截止区NPN管 正向工作区PNP管截止区VBC 由图可知：NPN管 反向工作区NPN管 饱和区PNP管正向工作 区PNP管正向工作区当VBC大于零时， 寄生PNP管的发 射结正偏，有电 流流过衬底结， 影响电路的正常 工作。当VBC小于零时， 寄生PNP管的发 射结反偏，PNP 管截止，对电路 的正常工作无影 响。NPN管截止区 PNP管截止区0VBENPN管 正向工作区 PNP管截止区在模拟集成电路中，NPN管一般工作 在截止区或正向工作区，此时寄生 PNP管处于截止区，不影响电路的正 常工作。 在数字集成电路中，NPN管经常可能 处于饱和区或反向工作区，此时寄生 PNP管处于正向工作区。因此，对于 数字集成电路来说，减小寄生PNP管 17 的影响非常重要。三结四层结构(多结晶体管)的I-V关系 SIS V3 IC V2 V1I1 ? I ES (e ? 1) ? aI CS (e ? 1) I 2 ? bI ES (e ? 1) ? I CS (e ? 1) ? cI SS (e ? 1)C I 3 ? dI CS (eV2 VT V1 VT V2 VT V3 VT V3 VTV1 VTV2 VTp I3n I2? 1) ? I SS (e ? 1)I 2 V2 ? 0 b? ? ?? F I1 V3 ? 0 I 3 V2 ? 0 d? ? ?? SF I 2 V3 ? 0BIBp nI1 IEI1 V1 ? 0 a? ? ?? R I 2 V3 ? 0 I 2 V1 ? 0 c? ? ?? SR I 3 V2 ? 0E?RNPN管反向运用时的共基极短路电流增益? F NPN管正向运用时的共基极短路电流增益 ? SR PNP管反向运用时的共基极短路电流增益 ? SF PNP管正向运用时的共基极短路电流增益18三结四层结构(多结晶体管)的I-V关系由上述方程得：V1 VTSIS V3 IC V2 V1p I3 n I2IB? I1 ? ? 1 ? ? ? ? I2 ? ? ? ?? R ?I ? ? 0 ? 3? ?C??R 1 ??R? I (e ? 1)? 0 ? ? ES ? V2 ? ? ? R ? ? I CS (e VT ? 1)? V3 ? ? ? VT 1 ? ? I SS (e ? 1) ? ? ?根据基尔霍夫定律，有： IE=I1p nI1 IEIB=I1+I2IC=-(I2+I3) IS=I3E? IE ? ?1 0 0 ? ? ? ? ?? I1 ? ? I B ? ? 1 1 0 ?? ? ? I ? ? ? 0 ? 1 ? 1?? I 2 ? ? ? C? ? ?? I ? I ? ? 0 0 1 ?? 3 ? ? ? S? ?19理想本征集成双极晶体管的EM模型三结四层结构(多结晶体管)的I-V关系 联立上述方程得：? IE ? ? 1 ? ? ? ? I B ? ?1 ? ? F ?I ? ? ? ? ? C? ? F ?I ? ? 0 ? S? ?V1 ?? ?? I ES (e VT ? 1)? ? V2 ? ? SR ? 1??R VT ? I ( e ? 1)? CS ? V3 ? ? (1 ? ? SF ) ? (1 ? ? SR ) ?? VT ? I SS (e ? 1) ? ? 1 ? ? SF ? ????R0这就是理想本征集成双极晶体 管的EM模型理想本征集成双极晶体管的EM模型20如令上式中的Is设置为零（即不存在衬底隔离结），则 变成三层两结结构的NPN管EM方程。如下所示：? ? VBE Vt ? ? ? ? R ? ? I ES ? e ? I E ? ?1 ? 1? ? ? ? ? I ? ? ?1 ? ? 1 ? ? ? ? ? ? ? F R? ? B? ? ? ? V ? ? ? ?? F ? 1 ? ?IC ? ? ? ? ? I CS ? e CE V ? 1?? t ?? ? ?令：V ? I F ? I ES ? ? e BE V ? 1? t ? ? V ? I R ? I CS ? ? e CE V ? 1? t ? ?则，在NPN管工作在正向工作区时，Vce小 于零，IR约等于零，可忽略不计。此时：IE ? IFI B ? ?1 ? ? F ?I F IC ? ? F I FI E ? I B ? IC如使Ic接近于Ie， 则希望 ? 越大越好。F21§2.3集成双极晶体管的有源寄生效应本节讨论寄生PNP管对NPN管的直流特性的影响。 做以下几个假设: 晶体管参数 EM模型简化PN结正偏工作时，VF ? 0, (e VF / VT ? 1) ? eVF / VT PN结反偏工作时，VR ? 0, (e VR / VT ? 1) ? ?1 VSC (V3 ) ? 0, I SS (eVSC / VT ? 1) ? ? I SS ? 0? F ? 0.99 ? R ? 0.20 ? SF ? 0.70 ? SR ? 0.10I ES ? 10 ?16 A I CS ? 10 ?15 A I SS ? 10 ?13 A集成双极晶体管的有源寄生效应22双极晶体管的四种工作状态 SIS V3 B(p) IC V2E(n+)VBC 反向工作区(正偏) (反偏)p I3 n I2IBnpnpnp S(p) C(n)Cp nI1 IE饱和区 VBE(正偏)V1(反偏)截止区E正向工作区23NPN管工作于正向工作区和截止区的情况E(n+) B(p) pnp S(p)VBC (正偏) (反偏) 反向工作区 饱和区npnC(n)(反偏) 截止区(正偏) VBE 正向工作区VBC&0 正向工作区和截止区VEB_pnp&0 VS=0 VCB_pnp&0截止pnp管npn管寄生晶体管的影响可以忽略24应用EM模型简化方法得到：VBE VBE ? ? I ES ? e ? 1? ? I ES e V Vt t ? ? VCE ? ? ?I ? 0 I CS ? e ? 1 ? ? CS V t ? ? VSC ? ? ?I ? 0 I SS ? e ? 1 ? ? SS V t ? ?则，此时的EM模型简化为：?I E ? ? ? I ? ?1 ? B ? ? ?1 ? ? ? ? I e VBE ? F ? ? ES Vt ? ?IC ? ? ? ? ? ? ? ?? F ? ? ?I S ?0? IE ? ? 1 ? ? ? ? I B ? ?1 ? ? F ?I ? ? ? ? ? C? ? F ?I ? ? 0 ? S? ?V1 ?? ?? I ES (e VT ? 1)? ? V2 ? ? SR ? 1??R VT ? I ( e ? 1)? CS ? V3 ? ? (1 ? ? SF ) ? (1 ? ? SR ) ?? VT ? I SS (e ? 1) ? ? 1 ? ? SF ? ????R25NPN管工作于反向工作区的情况E(n+) B(p) pnp S(p)VBC (正偏) (反偏) 反向工作区 饱和区npnC(n)(反偏) 截止区(正偏) VBE 正向工作区VBC&0 VBE&0 反向工作区 npn管VEB_pnp=VBC_npn&0 VS=0 VCB_pnp&0 正向工作区 pnp管 寄生晶体管对电路产生影响集成双极晶体管的有源寄生效应26四层三结结构的EM模型：? IE ? ? 1 ? ? ? ? I B ? ?1 ? ? F ?I ? ? ? ? ? C? ? F ?I ? ? 0 ? S? ?V1 ?? VT ?? I ES (e ? 1)? ? V2 ? ? SR ? 1??R VT ? ? I ( e ? 1 ) CS ? V3 ? ? (1 ? ? SF ) ? (1 ? ? SR ) ?? VT ? I SS (e ? 1) ? ? 1 ? ? SF ? ????R0化简 NPN管工作于反向工作区的EM方程(VBE(V1)&0,VBC(V2)&0)? IE ? ? 1 ? ? ? ? I B ? ?1 ? ? F ?I ? ? ? ? ? C? ? F ?I ? ? 0 ? S? ?? ? ? ? I ES ? VBC ? ? SR ? ? 1??R ? VT I CS e ? ? ? ? (1 ? ? SF ) ? (1 ? ? SR ) ? ? ? ? I SS ?? ? 1 ? ? SF ? 0??R再化简集成双极晶体管的有源寄生效应27NPN管工作于反向工作区的EM方程? IE ? ? 1 ? ? ? ? I B ? ?1 ? ? F ?I ? ? ? ? ? C? ? F ?I ? ? 0 ? S? ?VBC VT? 0ES ? ?? ? I VBC ? ? SR ? ? 1??R ? VT I CS e ? ? ? ? (1 ? ? SF ) ? (1 ? ? SR ) ? ? ? ? I 0 SS ?? ? 1 ? ? SF ? 0寄生管的影响是减小了集电极电流作为无用电流流入衬底减小寄生影 响的方法??RI E ? ?? R I CS e? ?? R I RVBC VTI B ? (1 ? ? R ) I CS eVBC VT? (1 ? ? R ) I RVBC VT减小? SF减小 ? SF 的方法? I C ? (1 ? ? SF ) I CS e I S ' ? ?? SF I CS e? (1 ? ? SF ) I R? ?? SF I R采用埋层和掺金工艺集成双极晶体管的有源寄生效应28NPN管工作于饱和工作区的情况E(n+) B(p) pnp S(p)VBC (正偏) (反偏) 反向工作区 饱和区npnC(n)(反偏) 截止区(正偏) VBE 正向工作区VBC&0 VBE&0 饱和工作区VEB_pnp=VBC_npn&0 VS=0 VCB_pnp&0正向工作区pnp管 寄生晶体管对电路产生影响npn管集成双极晶体管的有源寄生效应29? IE ? ? 1 ? ? ? ? I B ? ?1 ? ? F ?I ? ? ? ? ? C? ? F ?I ? ? 0 ? S? ? I ES e ? I F I CS e ? I R作业：V2 VT V1 VTV1 ?? NPN管工作于饱 ? ? I ES e VT ? V2 ? 和工作区的EM方程 1??R ? VT I CS e ? ?? ? ? (1 ? ? SF ) ? ? ? 0 ? ? ? ? SF ? ? ???RIE ? IF ??RIR I B ? (1 ? ? F ) I F ? (1 ? ? R ) I R I C ? ? F I F ? (1 ? ? SF ) I R I S ' ? ?? SF I R30推导书上20页， 式（2.13）（2.15）减小有源寄生效应的措施 增加n+埋层 ①加大了寄生PNP晶 体管的基区宽度 ②形成了寄生PNP晶 体管基区减速场 P+P-SubB(P)E(N+) NPN PNP S(P) C(N)E B N P+CN+NC-epiP+§2.4集成双极晶体管的无源寄生效应CN+BN+E基极串联电阻 发射极串联电阻P+P+PN+-BLN-epi集电极串联电阻 32E发射极串联电阻rES rES=rE,c+ rE,b由发射极金属 和硅的接触电 阻发射区的体电 阻rE,c rE,b发射区为N+扩散,杂质浓度在1020cm-3以上,所以发射区的 体电阻很小,可忽略不计。因此串联电阻主要由金属与硅 的接触电阻决定。rE, cRC ? SESE:发射极接触孔的面积 RC:为硅与发射极金属的欧姆接触系数。可查表得出。对于Si和Al接触，其欧美接触系数为（1-9)*10-6Ω? cm2.发射极串联电阻很小，一般可以忽略。 33 集成双极晶体管的无源寄生效应集电极串联电阻rCS忽略引出端N+接触区的接触电阻 和体电阻，则晶体管的集电极串 联电阻为：CErCS=rC1+ rC2+rC3假定其图形是一个上下 底为矩形且相互平行的 锥体。如下图所示rc1的计算 LrC1TbL上底为有效集电结面积SC,eff=SE 并作以下近似: 1.上底、下底各为等位面； 2.锥体内的电流只在垂直方向流动； 3.在上下面的电流是均匀的。由上述结构可得： rC1 ??T ln(a b )WL a ? b34集成双极晶体管的无源寄生效应rC1 ??T ln(a b )WL a ? b其中：ρ为材料的电阻率；T为锥体高度； W，L为顶面矩形的宽和长； a，b为底面矩形与顶面矩形相应宽和长的比值。上述公式的使用范围：aW≤W+2T；bL≤L+2TT为锥体高度，T=Tepi- xjc-xmc -TBL-up-tepi-ox注意当aW＞W+2T；bL＞L+2T时，需重新计算锥体底面的宽、 长值。 重新计算的方法为：用aW=W+2T和bL=L+2T重新计算a， b的值在带入rc1公式中求解。 35集电极串联电阻rCS―rc2的计算 由于电流由集电结垂直 下来后转角流入埋层， 因此埋层电阻即为rc2电 阻。其计算公式为：CErC 2 ? RS ? BLLE ?C WBLrC2 LE-CRS-BL为埋层扩散层的薄层电阻； LE-C 为发射区接触孔中心到集电极接触孔中心的距离； WBL为埋层宽度。集成双极晶体管的无源寄生效应36集电极串联电阻rCS―rc3的计算rc3也是一个锥体。在版图设计上，其掩 模上集电极N+接触区的三边与埋层的三 边是重合的。只是在发射区一边的埋层 长度很长。（即上底为集电极接触孔面 积，下底为部分埋层）CErC3根据rc1的计算方法，对于这一边的长度 是以集电极N+扩散层边缘再加1T来处理 的。其图形如下所示。L其计算公式为： TrC 3 ??T ln(a b )WL a ? b37bL集成双极晶体管的无源寄生效应集电极串联电阻rCSrCS=rC1+ rC2+rC3实际应用中，VBC&0，随着OVBCO的增 加，导致rc1中的锥体高度下降， rc1减少。 在饱和工作区时，产生电导调制效应，使 rc1变小。 因此在估算集电极串联电阻时主要考虑rc2 和rc3.CErC3rC1 rC2?减小rcs的方法（1）在工艺设计上，可采用加埋层的方法一减小rc2。采用深N+集电 极接触扩散（将集电极接触扩散区与埋层扩散通）以减小rc3. （2）在版图设计上，电极顺序采用BEC排列，以减小LE-C，从而减 小rc2.也可采用双集电极或马蹄形集电极来减小rc2.集成双极晶体管的无源寄生效应38集电极寄生电阻的另外一种表述形式增加n+埋 层、穿透 磷扩散 hc R1= ?epi* lc*w （即将集 c 电极接触 hb R5= ?epi* le*we 区与埋层 1 w c 扩散通）、 R2= *R? * 3 BL lc 薄外延等 we 1 R4= *R? BL* 措施可有 le 3 效地减小 dce R3= RB ?L* (lc+le)/2 集电极串
联电阻 。 we dce wc lelcR5hbR3R1 R2hc39R4附：拐角薄层电阻的计算公式推倒I I(X) = L *XLdV(X)=I(X)*R*L?Wdx2 2 dx I P=? I(X) * dV(X) = ? R? * ( ) *X * 0 W 0 L L 2 1 L 1 = R? * * I = Reff * I2 Reff = R* 3 W 3 ? WI(X)WI LI0xLX课后练习题：2.2无源寄生效应之----基区电阻rB由于基极电阻的存在，在 大注入的情况下，会引起 发射极电流的集边效应， 且会影响模拟电路中的高 频增益和噪声性能。B ErB3 rB2rB1基区电阻的表达式为：rB=rB1+ rB2+rB3基极金属 和硅的接触电阻以及 基极接触孔下的基区电阻发射区 扩散层下的 基区电阻 称为内基区。发射区扩散层 边缘到基极接触孔边缘的 外基区电阻，称为外基区。集成双极晶体管的无源寄生效应42无源寄生效应之----基区电阻rB基极串联电阻主要由 R2、R3决定（ R1可以忽 略）。R3 R2R143无源寄生效应之----基区电阻rB?基区扩散电阻―rb1的计算要精确的计算rb1比较困难，因为晶体管的基区宽度很小，有很多的 寄生效应。在小注入情况下，用平均功率法估算的rb1的表达式为：BWE rB1 ? RSBI 3LErB3其中：WE和LE分别为发射区的宽度和 长度。 RSBI为内基区的薄层电阻，可查欧文曲 线求得。ErB2rB144无源寄生效应之----基区电阻rB?基区扩散电阻―rb2的计算 在不考虑发射区的横向扩散及集电结、发射结的耗尽层 扩散的影响时，可用一般计算薄层电阻的公式来计算rb2. B EW E ?B rB 2 ? RSB LE其中： WE-B为发射区掩模孔边线与基极接触 孔边线的平均长度。 LE为发射区掩模孔和基区掩模孔德平 均长度。 RSB为基区扩散层的薄层电阻。rB3 rB2rB145无源寄生效应之----基区电阻rBB ?基区扩散电阻―rb3的计算 rB3 由于外基区表面的掺杂浓度很高， 且WE-B≥XjE，可使rb3远小于rb1和 rb2，通常可忽略不计。 rB2 rB1E?减小rB的方法工作点设计上，采取交大的IC，以减小rB。 在版图设计上，可采用双基区条或梳状电极以减小rB。 46无源寄生效应之----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。 底面和侧面电容。 472..5 集成NPN晶体管常用图形及特点（补充内容） （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+P-SubE B N P C+CN+N -epiP+（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B E B N P C+CN+P+N -epiP+N+P-Sub（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 B E B C N N P C+ +CN+P+N -epiP+P-SubN+（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 C N+P+N -epiB E E N N P C+ +CN+P+P-SubN+（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（6）梳状2.6 横向PNP管的结构和有源寄生效应 横向PNP管 正向有源、 反向有源、 饱和三种工 作模式下， 寄生的纵向 PNP管对其 工作都有影 响。E(P)PNPTC(P)T2T1B(N ) P-sub P-subEP N PN P SCE C BP+ P P N+NP+BN-BLP-SUB1.横向PNP管电流增益低原因：横向PNP管的电学特性-1C(P) （1）存在纵向寄生PNP管的影响 E(P) PNP T 一般情况下，T处于正向工作区。为了 保证隔离结始终处于反偏状态，衬底端总 是接最低电位，即两个寄生PNP管的集电 T2 T1 结始终处于反偏状态。 B(N ) P-sub 此时（T正向工作区）T1管截止，T2管正 P-sub 向工作。它降低了横向PNP管的电流增益。 （2）横向PNP管本身结构上的限制 E C （1）横向平均基区宽度不可能做的太小 （工艺上的限制）； N+ P P P+ P+ （2）发射极的注入效率低；（发射极掺杂 N 浓度低） N-BL （3）表面复合影响大（横向器件） P-SUBB提高电流增益的措施：①降低?e/?b （即增大Ne/Nb，或者 说是增大发射极注入效率）。②降低AEV/AEL(即减小发射区底面积 与侧面积之比) ③设n+埋层（可提高纵向PNP管的基 E(P)PNPTC(P)T2T1 B(N ) P-sub P-sub区宽度，降低寄生PNP管的电流增益）④改善表面态（降低表面复合） ⑤减小WbL（减小横向基区宽度），加E C BP+ N-BL P P N+N大Wbv（减低载流子复合）P+P-SUB横向PNP管的电学特性-2、32.击穿电压低，由c-e穿 通电压决定，突变结近似： 2 VPT=qNBWbL /2?o?si（NB小） 3. 特征频率低 (受WbL和寄 生PNP影响)E C B横向PNP管的电学特性---特征频率的讨论特征频率低的原因（即总得渡越时间长）：（1）横向PNP管的有效平均基区宽度大（导致基区渡越时间长）； （2）埋层的抑制作用，使折回集电极的少子路程增加（T变长）； （3）空穴的扩散系数小于电子的扩散系数；（扩散时间长）提高特征频率的措施如下：（1）增加结深Xjc（减小折回路径）； （2）减小LE，在满足要求下，发射区做成最小几何尺寸。（3）提高工艺精度，降低基区平均宽度。 （4）提高发射区掺杂浓度。（提高注入效率）横向PNP管的电学特性--4 4.横向PNP管开始大注入时的临界电流Icr小在横向PNP中，ρb&ρc,且为均匀基区，有：qAEL N B DPB I cr ? WBL由于横向PNP的DPB（空穴扩散系数）小，NB小， AEL小，平均基区宽度大，因此与NPN管相比，横向 PNP管的临界电流小。 59横向PNP管的常用图形 1.单个横向PNP管结构简单，面积小BBCECE横向PNP管的常用图形 2.多集电极横向PNP管 常用在比例电流源电路中可使各集电极的电流正比于 所对应的有效发射区侧面积EC2 C1C1 C2 C3 E EBC1 C2BEC2BB C1 C3横向PNP管的常用图形3.大电流增益的复合PNP管在某些应用中，要求 PNP管的电流增益大， 此时可以采用复合 PNP管。 其电路如下： 复合ＰＮＰ管的电流增益为：C ?F ? ? NPN ? ? PNP ?? ? PNP复合管的版图示意图如下所示：62横向PNP管的常用图形 4.可控增益横向PNP管 E IC C IBO IB多集电极结构的应用IC IC β= = IB IBO+ICO IC AC ≈ = ICO ACOBICO (Co)BEC横向PNP管的常用图形 5.多发射极多集电极横向PNP管 基极等电位的横 向PNP管共用一 个隔离区横向PNP管的常用图形 6.大容量横向PNP管课后练习题：2.3和2.62.7 衬底PNP管的结构和特性由于横向PNP管的电流增 益、特征频率及临界电流 都小，只能运用于小电流 的情况。衬底PNP管可以运用于大 电流的情况。 利用PN结隔离工艺即可制 造衬底PNP管。其横截面图和版图示意图 如右图所示。C E P NC-epi B N+P+P-SubP+衬底PNP管的结构 特点---11. 纵向结构 2.衬底(集电极)电位固定 (最低电位) 3.不能加n+ 埋层 最好增加p+埋层 4.无有源寄生 5.基区(外延层)上最好覆 盖n+扩散层C P+ P-SubEP NC-epiB N+P+C P+ P-SubE P NC-epiB N+P+当衬底PNP管的BE短接时的结构如下衬底PNP管的结构 特点---2C P+ P-SubE P NC-epiB N+P+(1)衬底PNP管的集电区是整个电路的公用衬底，在直流应用时接最负电位， 交流应用时接地电平。所以只能用作集电极接最负电位的射极跟随器。 （2）其晶体管发生在纵向，所以又称纵向PNP管。其临界电流Icr比横向 PNP管的大。（3）因为衬底作为集电区，所以不存在有源寄生效应，故可以不用埋层。（4）基区电阻大，特别是外基区电阻大。减小外基区电阻的方法就是将B、 E结短接。B、E结短接的好处还有：可减小自偏置效应；有助于减小表面复合的影响。（5）衬底PNP管的集电极串联电阻和集电结电容较大。衬底PNP管的电流增益和特征频率衬底PNP管由于没有寄生PNP管的存在，所以其电流增 益和特征频率都比横向PNP管大。但比一般的NPN管还 是小很多。衬底PNP管的常用图形2.8 集成二极管集成电路中的二极管，多数是通过对集成晶体管的 不同接法而形成的。所以不增加新的工艺。集成二极管包括BC短接二极管、CE短接二极管、 BE短接二极管、集电极开路二极管，发射极开路二 极管以及单独BC 结（工艺上不制作发射极）二极 管等几种。各种二极管的特性比较见表2.2。最常用的集成二极管为BC短接二极管和单独BC结 二极管。2.8.1一般集成二极管 1. B-C短接VF=VBEF BV=BVBE BC短接，寄生PNP管截 止，无寄生PNP管效应。 存储时间短， 正向压降低。P+ P-SubE B N+ P NC-epiC+ N P+2.8.1一般集成二极管2. B-E短接VF=VBCF BV=BVBC 存在寄生PNP管效应E B N+ P NC-epi C N+ P+P+ P-Sub2.8.1一般集成二极管 3. C-E短接 VF=VBCF BV=BVBE 有寄生PNP管效应B PE N+NC-epiC N+ P+P+ P-Sub2.8.1一般集成二极管 4. C开路 VF=VBEF BV=BVBE 有寄生PNP管B P E N+ NC-epi C N+ P+P+ P-Sub2.8.1一般集成二极管 5. E开路 VF=VBCF BV=BVBC 有寄生PNP管E+ B N P NC-epi C N+ P+P+ P-Sub2.8.1一般集成二极管 6. 单独BC结 VF=VBCF BV=BVBC 有寄生PNP管B P NC-epi C+ N P+P+P-Sub2.8.1一般集成二极管 7.单独SC结 VF=VSCF BV=BVSC Cj = Cs C p= 0 无寄生PNP管P+C N+ NC-epiP+P-Sub2.9 齐纳二极管 1.齐纳二极管的特性要求①动态电阻小 ②击穿电压稳定 ③噪声小一般齐纳二极管用BE 结制作，即使用反向 工作的BE短接二极管 缺点：在表面处两侧 浓度都最高，且易受VBOI VP+E B N P+C N+NC-epi P-SubP+表面影响2.9 齐纳二极管 BE短接齐纳二极管的缺点：（1）具有较大的正温度系数，热稳定性差。 （2）内阻较大 （3）击穿电压的离散型大。因为击穿电压由多次扩散而成， 精度差。 （4）输出噪声电压大（因为击穿发生在表面，受表面影响 大。） 由于集成齐纳二极管存在以上缺点，所以产生了次表面齐 纳管。2.9 齐纳二极管 2.两种隐埋齐纳二极管（次表面齐纳二极管）（1）用扩散法形成的次表面齐 纳二极管。 形成方法：在N+扩散区内加一 道深P+扩散，使击穿发生在N+ 和P+的接触圈上。 特点：噪声低，稳定性高。E B + N P P+ C P+ N -epi P-SubC N+P+2.9 齐纳二极管 2.两种隐埋齐纳二极管（次表面齐纳二极管）（2）用离子注入法形成的次 表面齐纳管 制作方法：在P型基区扩散和 N+发射区扩散后，增加一次硼 离子注入而行成。 特点：掺杂浓度和深度精确， 可以得到较精确的击穿电压。P+P P-SubN+ P+ NC-epiPP+课后练习题：2.52.10 肖特基势垒二极管（SDB）和肖特基钳位晶体管1. SDB由半导体物理知识可知，Al和N型Si接触形成的肖特基势垒具 有类似于PN结的整流特性，其I-V特性关系为：? V VT ? ? I ? I DS ? e ? 1? ? ? ?其中，IDS为反向饱和电流，其表达式为：I DS? R* ? S ? e?? BVt式中：R*为有效理查森常数；T为绝对温度表示的结温； ΦB为金属与半导体之间的接触势垒高度S为SBD的面积1. SDBSBD的特点： 1.正向压降低应减小串联电阻A2.开关时间短多子器件3.反向击穿电压高应减小边缘电场 （ P型环、覆盖电极， 如右图剖面图所示）Bp p NC-epi A B+ N P+P+P-Sub 861. SDBSBD的等效电路图中：Rs为SBD的串联电阻； Cjd为耗尽层电容SBD两端的实际直流电压为： 其中：VMS（IF）为SBD两端 压降的实际值 由于Vth基本保持不变，因此 主要通过调节Rs和IF来减小 VMS（IF）。VMS ?I F ? ? VDF ?I F ? ? I F ? RS ?V TH ? RS ?VF ? VTH1. SDB SBD与普通二极管的区别（1）SBD的反向饱和电流IDS大，约高2-5个数量级、（2）SBD的正向导通压降Vth小，约为0.45V，一般PN结的约 为0.6-0.7V。（3）正向温度系数不同。SBD的温度系数小，约为-1.4mV/℃一般PN结的温度系数大，约为-（1.6~2.0）mV/℃（4）小注入时，SBD是多子导电器件，所以没有PN结的少子 存储问题，响应速度快。2.10 肖特基势垒二极管（SDB）和肖特基钳位晶体管2. 肖特基晶体管（SCT）在TTL电路中，开关管对NPN管的基极电路的要求是 矛盾的：在管子导通时，希望导通速度快，所以要求基极电流大，管子迅 速进入饱和区，基区存在大量的超量存储电荷。 当管子由导通变截止时，又要求基区的超量存储电荷少，以使管 子尽快的脱离饱和进入截止状态。用SCT代替一般的NPN管，可以有效地解决上述矛盾。肖特基晶体管（SCT）的结构等效符号E B N+ P P+ NC-epiC N+P+P-Sub肖特基晶体管（SCT）抗饱和原理（工作特点）1. npn管正向导通或截止时， VBC&0, SBD截止ISBDIB IbICIc2. npn管反向导通或饱和时，VBC&0，可使SBD导通，对IB分流，VBC被箝位在SBD的导通压降上。阻止了NPN管进入深饱和状态，提高了电路速度。IC βI β(IB-ISBD） S ’= b I c = IC +ISBDS =β IB课后练习题：2.42.11 MOS 集成电路中的有源寄生效应2.11.1 场区寄生MOS管（场开启MOS管）场区寄生MOS管的两种结构93场区寄 生MOS 管的两 种结构（1）在MOS集成电路中，当一条铝线跨接两个相邻的 扩散区时就形成了一个以两个扩散区为源、漏，以 铝线为栅极的场区寄生MOS管。 其结构如下图所示。n+Ln+n+Ln+p substratep substrate为了防止场区集成MOS管的 导通必须提高场开启电压。措施：1.加厚场氧化层的厚度 2.增加场区注入工序94场区寄生MOS管的两种结构 （2）在硅栅MOS电路中，若多晶硅连线设计不当（本意 是用多晶硅做连线而不是要形成多晶硅栅），或由于光刻 对准偏差，使多晶硅跨接两个扩散区，而形成以扩散区为 源、漏，以多晶硅为栅的另一种场区寄生MOS管。 其结构如右 图所示。寄生MOS管多晶硅 SiO2N+ P-SUBN+为了防止场区寄生MOS管的导通必须提高场开启电压。提高场开启电压的方法： 1.加厚场氧化层厚度（采用等平面工艺，减 小表面台阶） 2.采用场区注入与衬底同 型的杂质，提高衬底表 面浓度 3.控制有源区间距 962.11 MOS 集成电路中的有源寄生效应2.11.2 寄生双极晶体管在MOS集成电路中有两种类型的寄生双极型晶体管 （1）以正常的MOS管的源、漏和衬底为E、C、B的寄生 三极管。 （2）由场区MOS管的源、漏和衬底为E、C、B的寄生三 极管。nnnnppN-subppP-sub97寄生双极晶体管n+Ln+n+Ln+p substratep substrate防止措施：1.增大寄生晶体管“基区宽度” 2.P型衬底接地或负电位98消除寄生双极晶体管影响的措施：（1）P衬底接最低电位 N衬底接最高电位 （2）使MOS管源漏区与衬底形成的 二极管不处于正偏状态 .992.11 MOS 集成电路中的有源寄生效应2.11.3 寄生可控硅―闩锁效应(寄生PNPN效应）1. 寄生可控硅结构在CMOS电路中，寄生的双极型晶体管可能会产生非常严重 的后果。在P阱CMOS中，会形成PNPN可控硅结构。 PNPN效应 当CMOS集成电路接通电源后，在一定的外界因素触发下， 会出现电路的负阻特性，它和PNPN器件的闸流特性很相似， 这种现象被称为PNPN效应或者latch-up效应，或者闩锁效应， 或闸流效应。自锁产生的条件通常情况下，VDD和GND之间存在一个阱-衬底隔离结，只有一个很小的漏 电流流过。在一定外因触发下，阱内会产生一个横向电流IRw，由于Rw的存 在，使P+区周围的N阱的电位低于p+区，当这个电位差大于0.7V时，导致 p+-N阱结正偏，有空穴由p+区注入N阱。导致寄生PNP管导通。 同样，在VDD和GND之间存在一个横向电流Rs，由于Rs的存在，使N+区的 电压低于P型衬底，当这个电位差大于0.7V，导致P衬底-N+结导通，最终导 致寄生NPN管导通。 当寄生NPN和PNP都导通后，就形成了一个正反馈闭 合回路，此时即使外界因素消失，在VDD和GND之 间仍有电流流动，这既就是“自锁现象”。 RW Vi VDD GND Vo Nn+ N -阱 P-Sub RW RS p+ p+ n+ n+ p+ VO IRS VDD IRW VOPRS GND2.11.3 寄生可控硅―闩锁效应（集成PNPN效应） VDD 1. 寄生可控硅结构I 寄生可控硅一旦被触发， 电流巨增，将烧毁芯片。 设外界触发电流Ig使NPN 的发射结正偏，有：I g ? I Rs ? I B , NPN I c , NPN ? ? NPN ? I B , NPN I c , NPN ? I Rw ? I B , PNP I c , PNP ? ? PNP ? I B , PNP 由于I Rw 和I Rs都较小， 所以有I c , PNP ? ? NPN ? ? PNP ? I g 式中 ? NPN ? ? PNP ? 1, 则I g的反馈量I c ,PNP ? I gRW NIRW VOIH 0 VHIgP-V VOIRSRSGND由此得到产生自锁的必要 条件： 1.两个发射结均正偏 2.βnpn*βpnp& 1 3.IPower&IH1022. 消除闩锁效应的措施―版图设计 （1）减小RS和RW ：均匀且 充分设计阱和衬底的电源和 地的欧姆接触，并用金属线 连接，必要时采用环结构 （N+接触环和P+接触环）。Vi Vi GND n+ p+ N -阱 n+ n+ p+ RW NIRWVDD VOPVOIRSRS GNDVDDn+ N -阱Vop+ RW p+P-SubRS1032. 消除闩锁效应措施―版图设计 （2）减小βnpn和βpnp ：加大RW NIRWVDD VOMOS管源漏区距阱边界的距离，必要时采用伪收集极结构。PVOIRSGND GNDRS GNDViVDD VDD n+n+ p+ p+ p+ Vo p+ n+Vi伪收集极ViVo n+ n+ N -阱 p+ RS n+n+p+ n+ RSp+N--阱 阱 N P-Sub P-SubW RR W1042. 消除闩锁效应措施―工艺、测试、应用（4）电源退耦，稳定电源 （1）增加阱的结深 （2）采用外延衬底 （5）输入信号不能过高 （3）采用外延衬底时， （6）负载电容不易过大 同时可采用埋层方法，增 （7）电源限流 加阱的结深，形成减速场。ViVDD n+ N -阱ViGND n+ n+ N -阱 p+ n+ RS105Vop+RWp+n+p+P-Sub课后练习题：2.72.12MOSFET的单管结构及工作原理? 单极器件：只有一种载流子参与导电栅极源极绝缘层（SiO2）漏极n+n+p型硅基板半 导 体 基 板107VG=0 VS=0 VD=0栅极电压为零时，存储在 源漏极中的电子互相隔离108VG S++++++++VD电流VGS&0时，沟道出现耗尽区， 至VGS& VTH时，沟道反型， 形成了连接源漏的通路。VDS较小时，沟道中任何一处电压的栅－沟道电压都大于阈值电 压，随着VDS的增大，电场强度增大，电子漂移速度增大，因此电流随着VDS的增大而增大。（线性区，非饱和区）随着VDS进一步增大至VDS&=VGS-VTH(即VGD&VTH)时，靠近漏端边缘的沟道出现夹断，晶体管进入饱和区。随着VDS的增 大，夹断区向源区移动，电压的增加主要降落在夹断点至漏 端边缘的高阻区，沟道电子被横向强电场拉至漏极，漏源电
109 流基本上不随 VDS的增大而变化。N沟MOSFET的输出特性曲线 ID非饱和区 饱和区VGVD1102.13 MOS晶体管常用图形 L W L L WLWW=3w w111结束！
第 2 章 集成电路中的晶体管及其寄生效应 1.简述集成双极晶体管的有源寄生效应在其各工作区能否忽略?。 2. 什么是集成双极晶体管的无源寄生效应? 3. 什么是 ...模拟集成电路 8 学时 第九章 模拟集成电路中的元...第二章集成电路的寄生效应 4 学时 绪论 2 学时 ...(μm) 每片晶体管数(M) 频率 (兆赫 ) 金属化...2、集成 NPN 晶体管中的有源、无源寄生效应,对器件性能有何影响?如何加以抑制...5、ECL 逻辑工作原理及其特点。 6、 第三章 双极逻辑集成电路的版图设计 1、...第二章 集成电路中的晶体管及其寄生效应 掌握埃伯斯-莫尔模型及其推导过程,理解有源和无源寄生效应产生的原因及影响。 第三章 集成电路中的无源元件; 掌握集成...序言、 作业: 序言、第一章 集成电路中的寄生效应 作业:补充题: 1.集成电路可分为哪几类?请分别叙述之。 2.半导体集成电路按晶体管工作性能可分为哪几类?按...第三章 集成电路中的晶体管 和无源器件 重点 集成电路的重要性,集成电路的发展...集成双极晶体管及其寄生效应,MOS 晶体 管及其寄生效应;集成电阻,集成电容, 互连...2.采用半导体材料实现电阻要注意哪些问题? 精度、温度系数、寄生参数、尺寸、承受...(2)传输线电感 5.微波集成电路设计中,场效应晶体管的栅极常常通过一段传输线...第一章 集成电路的寄生效应 集成电路的双极型工艺,典型 PN 结隔离工艺,集成电路元件结构和寄生效应;多结晶体管埃 伯斯-莫尔模型,集成电路晶体管有源寄生效应的...B C S 2 第 2 章 集成电路中的晶体管及其寄生效应 1.PNP 管为四层三结晶体管的寄生晶体管,当 NPN 晶体管工作在正向工作区时,即 NPN 的 发射极正偏,...集成电路的基本单元电路 章目名称 数字集成电路中的...晶体管的静态特性 四、MOS 晶体管的动态特性 第二...难点:理解集成双极晶体管和 MOS 晶体管的寄生效应。...
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