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1、第二章 集成电路中的晶体管及其寄生效应,元器件是组成集成电路的基本元素。元器件集成在一起后，其结构和性能发生了变化，直接影响着集成电路的性能。,2.1集成NPN晶体管常用图形及特点,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,（1）单基极条形,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,（2）双基极条形,2.1集成NPN晶体管常用图形及特点,与双基极条形相比：集电极串联电阻小面积大寄生电容大,（3）双基极双集电极形,2.1集成NPN晶体管常用图形及特点,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,（4）双射极双集电极形,2.1集成NPN晶体
2、管常用图形及特点,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,（5）马蹄形,2.1集成NPN晶体管常用图形及特点,（6）梳状,2.1集成NPN晶体管常用图形及特点,1.集成NPN晶体管与分立NPN晶体管的差别,（1）四层三结结构，构成了一个寄生的PNP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）,2.NPN晶体管的四种工作状态,2.2集成NPN晶体管的有源寄生效应,2.2集成NPN晶体管的有源寄生效应,VBC0 VSC0 寄生PNP晶体管截止,等效为寄生电容,3.NPN晶体管正向有源时,VBC0 VSC0 寄生PNP晶体管正向有源导通。,有
3、电流流向衬底，影响NPN晶体管的正常工作。,4.NPN晶体管饱和或反向有源时,2.2集成NPN晶体管的有源寄生效应,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,5.减小有源寄生效应的措施,2.2集成NPN晶体管的有源寄生效应,要提高有用电流的比值,减少寄生PNP管的影响,就要减小aSF和增大V。采用掺金工艺及埋层工艺可以减小aSF；而增大V，可以采用肖特基二极管（SBD）对BC结进行箝位，使VBC下降为0.5V左右,这样使IS下降到原来的1/50，在STTL电路中就是用此法来降低IS的。,6.减小有源寄生效应的措施,V=VBE-VBC,2.2集成NPN晶体管
4、的有源寄生效应,2.3 集成双极晶体管的无源寄生效应,图2.3 标有无源寄生元件的集成NPN晶体管结构图,2.3.1 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：,2.3.1 集成NPN晶体管中的寄生电阻,.集电极串联电阻rCS,增加n+埋层、穿透磷扩散、薄外延等措施可有效地减小集电极串联电阻,.集电极串联电阻rCS,2.3.1 集成NPN晶体管中的寄生电阻,3.基区电阻rB,2.3.1 集成NPN晶体管中的寄生电阻,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R2、R3决定
5、（R1可以忽略）。,3.基区电阻rB,2.3.1 集成NPN晶体管中的寄生电阻,2.3.2 集成NPN晶体管中的寄生电容,集成晶体管中的寄生电容会使管子的高频性能和开关性能变坏,（1）与PN结有关的耗尽层势垒电容CJ,(2)与可动载流子在中性区的存储电荷有关的扩散电容CD,(3)电极引线的延伸电极电容Cpnd,一般情况下Cpnd很小,可忽略不计。,1.PN结势垒电容CJ,2.扩散电容CD,扩散电容反映晶体管内可动少子存储电荷与所加偏压的关系,寄生电容包括：发射结电容、集电结电容、隔离结电容。,集成NPN晶体管中的寄生电容：,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。,2.
6、3.2 集成NPN晶体管中的寄生电容,2.4 集成电路中的PNP管（讨论）,在集成电路中常用的PNP管主要有:,横向PNP管,衬底PNP管,自由集电极纵向PNP管,一.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对其工作都有影响。,2.4.1 横向PNP管,二.横向PNP管的电学特性,1.BVEBO高，这主要是由于XJC深、pepi高之故。,2.电流增益低，改善措施：降低e/b 降低AEV/AEL设n+埋层 改善表面态减小WbL，加大Wbv*大电流特性差,2.4.1 横向PNP管,二.横向PNP管的电学特性,4.特征频率低(受WbL和寄
7、生PNP影响),5.临界电流ICr小。,2.4.1 横向PNP管,3.击穿电压低，由c-e穿通电压决定，突变结近似：VPT=qNBWbL2/2osi,三.横向PNP管常用图形,结构简单，面积小,1.单个横向PNP管,2.4.1 横向PNP管,三.横向PNP管常用图形,常用在比例电流源电路中,2.多集电极横向PNP管,2.4.1 横向PNP管,多集电极结构的应用,三.横向PNP管常用图形,3.可控增益横向PNP管,2.4.1 横向PNP管,三.横向PNP管常用图形,基极等电位的横向PNP管共用一个隔离区,4.多发射极多集电极横向PNP管,2.4.1 横向PNP管,三.横向PNP管常用图形,5.大
8、容量横向PNP管,2.4.1 横向PNP管,图2.13 横向PNP管的结构（a）工艺复合图；（b）横截面图,1.横向PNP管,2.多集电极横向PNP管,图2.17多个PNP管并联以提高Ic（a）复合版图；（b）等效电路,图2.18 多集电极横向PNP管（a）电路符号；（b）版图,3.大电流增益 的复合PNP管,在某些应用中,要求PNP管的电流增益很大,此时可用复合PNP管。复合PNP管的组成如图2.17所示。由图可见，复合PNP管的全部偏压的极性与PNP管相同，其（详见第12章12.1节的介绍）。,图2.19 复合PNP管的电路接法和等效符号（a）电路接法；（b）等效电路；（c）版图示意图,2
9、.4.2 衬底PNP管,由上面的分析可知,横向PNP管的 都比较小,只能用于小电流的情况。如果用下图 所示的衬底PNP管,则可在较大的电流下工作。,图2.20,1.衬底PNP管的特点,(1)衬底PNP管的集电区是整个电路的公共衬底,直流接最负电位,交流是接地,所以使用范围很有限,只能用作集电极接最负电位的射极跟随器。,（2）其晶体管作用发生在纵向，所以又称纵向PNP晶体管，因为各结面较平坦，发射区面积可以做得很大，所以工作电流比横向PNP管大；并可用增大发射区面积或多个发射极并联使用的办法来增大临界电流ICr。,(3)因为衬底作为集电区,所以不存在有源寄生效应,故可不用埋层。,(4)基区电阻大
10、,特别是外基区电阻rB2较大。,2.4.2 衬底PNP管,衬底PNP管由于其集电极固定接电路的最负电位，因而限制了它的应用。,2.不足,2.4.2 衬底PNP管,2.4.3 自由集电极纵向PNP管,图2.21 与对通隔离工艺兼容的自由集电极纵向PNP管的横截面图,2.5 集成二极管（讨论）,2.5.1 一般集成二极管,1.B-C短接,VF=VBEFBV=BVBECj=Ce Cp=Cs无寄生PNP管效应,VF=VBCFBV=BVBCCj=Cc Cp=Cs有寄生PNP管效应,2.B-E短接,2.5.1 一般集成二极管,VF=VBCFBV=BVBECj=Cc+Ce Cp=Cs有寄生PNP管效应,3.
11、C-E短接,2.5.1 一般集成二极管,VF=VBEFBV=BVBECj=Ce Cp=Cc*Cs/(Cc+Cs）有寄生PNP管,4.C开路,2.5.1 一般集成二极管,VF=VBCFBV=BVBCCj=Cc Cp=Cs有寄生PNP管,5.E开路,2.5.1 一般集成二极管,VF=VBCFBV=BVBCCj=Cc Cp=Cs有寄生PNP管,6.单独BC结,2.5.1 一般集成二极管,VF=VSCFBV=BVSCCj=Cs Cp=0无寄生PNP管,7.单独SC结,2.5.1 一般集成二极管,(2)单独BC结二极管，因为它不需要发射结，所以面积可以做得很小，正向压降也低，且击穿电压高。,(1)BC短
12、接二极管，因为没有寄生PNP效应，且存储时间最短，正向压降低，故一般DTL电路的输入端的门二极管都采用这种接法；,从表2.2中可以看到：,2.5.2 集成齐纳二极管和次表面齐纳管,1.集成齐纳二极管,集成电路中的齐纳二极管一般是反向工作的BC短接二极管,因此与制作一般NPN管的工艺兼容。利用一般工艺可获得的Vz=BVEBO约为69V。这种结构的齐纳二极管有以下一些缺点：,（1）具有较大的正温度系数，一般dVZ/dT=24mV/c，所以热稳定性差。,（2）内阻较大，其内阻RZ=R+rd,一般情况下动态电阻rd较小，主要是欧姆电阻R，约为40100.由于内阻较大,因而其两端的电压VZ随电源电压和负
13、载电流的变化也大。,2.5.2 集成齐纳二极管和次表面齐纳管,1.集成齐纳二极管,（3）VZ的离散性大，由于VZ由多次扩散决定，所以VZ值的精确控制较困难，一般NPN管的BVEBO的容差在200mV。,（4）输出噪声电压较大。因为击穿主要发生在Si表面,所以受表面的影响大。,齐纳二极管的特性要求,动态电阻小击穿电压稳定噪声小,2.次表面齐纳管,一般的齐纳管由于击穿发生在表面，因而输出噪声电压较大，次表面齐纳管是设法把击穿由表面引入体内。可以用扩散法和离子注入法来形成次表面齐纳管。,2.5.2 集成齐纳二极管和次表面齐纳管,图2.22 扩散法形成的次表面齐纳管结构图,离子注入法掺杂可以精确控制掺
14、杂的浓度和深度，利用离子注入法来制造次表面齐纳管，可望得到较精确的VZ值。离子注入次表面齐纳管的结构如图2.23所示,它是在P型基区扩散和 发射区扩散后,增加一次硼离子注入而成。离子注入掺杂分布的峰值在表面下0.5um左右，击穿发生在离子注入区和 区交界的圆环上，击穿电压VZ6.17V,标准容差小于20mV。,2.次表面齐纳管,2.5.2 集成齐纳二极管和次表面齐纳管,图2.23 离子注入次表面齐纳管结构图,3.两种次表面齐纳二极管的版图,2.5.2 集成齐纳二极管和次表面齐纳管,2.6.1 肖特基二极管（SDB）结构,特点：1.正向压降低 应减小串联电阻2.开关时间短 多子器件3.反向击穿电
15、压高 应减小边缘电场（P型环、覆盖电极）,2.6 肖特基势垒二极管(SBD)和肖特基箝位晶体管(SCT),2.6.2 肖特基势垒二极管工作原理,由半导体物理的知识可知，铝和N型硅接触形成的肖特基势垒具有类似于PN结的整流特性，其V-I关系为,式中的IDS为反向饱和电流，可表示为,式中:为有效理查森常数,室温下N-Si的 P-Si的 T为用绝对温度（K）表示的结温；为用金属与半导体之间的接触势垒高度，数值因金属与半导体的不同而异；S为SBD的面积。,2.6.3 SBD和一般集成二极管的差别,（1）SBD的反向饱和电流IDS大，约为 而一般NPN管的,（3）此外,它们的正向电压温度系数也不同,SB
16、D的,而一般PN结的,（4）另外,在小注入时,SBD是多子导电器件,所以没有PN结中的少子存储问题,从而使得当外加电压改变时,其响应速度快。,（2）SBD的正向导通压降Vth小，约比PN结的Vth小0.10.2V,2.6.3 SBD和一般集成二极管的差别,SBD两端实际的直流电压为,rS为SBD的串联电阻,（b）实际SBD，理想SBD和rs的正向伏安特性,SBD的等效电路及伏安特性,（a）SBD的等效电路；,2.6.4 肖特基箝位晶体管,1.SCT的结构,图2.25 肖特基箝位晶体管（SCT）典型结构图（a）SBD箝位晶体管；（b）SCT的平面结构和剖面；（c）SCT的电路符号,2.肖特基晶体
17、管抗饱和原理,NPN管正向有源或截止时，SBD截止,NPN管反向有源或饱和时，SBD导通，对IB分流，VBC被箝位,2.6.4 肖特基箝位晶体管,（b）,3.SCT的等效电路,2.6.4 肖特基箝位晶体管,图2.26 SCT的等效电路及寄生电阻在SCT结构中的位置（a）SCT的等效电路；（b）各寄生电阻在SCT结构中的位置,2.7.1 MOS晶体管常用图形,2.7 MOS集成电路中的有源寄生效应,2.7.2 场区寄生MOS管（场开启MOS管）,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，提高衬底表面浓度3.控制有源区间距,2.7.3 寄生双极晶体管,消除寄生双极晶体管
18、影响的措施：P衬底接最低电位 N衬底接最高电位使MOS管源漏区与衬底形成的二极管不处于正偏状态,2.7.4 寄生可控硅闩锁效应,必要条件：1.两个发射结均正偏2.npn*pnp 13.IPowerIH,寄生可控硅一旦被触发，电流巨增，将烧毁芯片。,1.寄生可控硅结构,2.7.4 寄生可控硅闩锁效应,（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。,2.消除闩锁效应措施版图设计,（2）减小npn和pnp：加大MOS管源漏区距阱边界的距离，必要时采用伪收集极结构。,2.7.4 寄生可控硅闩锁效应,2.消除闩锁效应措施版图设计,2.7.4 寄生可控硅闩锁效应,（1）增加阱的结深（2）采用外延衬底（3）采用外延衬底时，同时可采用埋层方法，增加阱的结深，型层减速场。,（4）输入信号不能过高（5）负载电容不易过大（6）电源限流,2.消除闩锁效应措施工艺、测试、应用,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,
