半導體集成電路第1章下

1、半導體集成電路南京理工大學電光學院第一章 集成電路器件與模型（下）vMOS Spice模型v雙極型晶體管及其模型雙極型晶體管基本工作原理雙極型晶體管大信號模型雙極型晶體管小信號模型v集成二極管的幾種類型（續(xù)）v集成電路無源元件集成電容集成電阻集成電路中MOS晶體管的幾種主要效應(yīng)v溝道長度調(diào)制效應(yīng)v體效應(yīng)（背柵效應(yīng)）v短溝道效應(yīng)SPICE模型vSPICE是一種對集成電路進行模擬仿真計算的程序。它所用的模型即稱為SPICE模型。vMOS管的SPICE模型一般有三種LEVEL 1模型vLevel 1是平方律模型，它是MOS晶體管的一級模型，適用于精度要求不高，溝道長度較長的MOS晶體管。v考慮了襯底

2、調(diào)制效應(yīng)和溝道長度調(diào)制效應(yīng)LEVEL 2模型v是基于幾何圖形分析的模型，是MOS管的二級模型。當溝道長度小于45微米時，LEVEL1模型不再適用。v考慮了各種二級效應(yīng)，比如溝道長度對開啟電壓VTH的影響、漏柵靜電反饋效應(yīng)對VTH的影響、溝道寬度對VTH的影響；表面電場對載流子遷移率的影響等等。v適用于短而寬的器件（L0.7微米）而不適用于長而窄的器件。LEVEL 3模型v是一個半經(jīng)驗化模型，適用于長、寬不大于2微米的小尺寸器件。此模型公式既能比較精確的描述MOS器件中各種二級效應(yīng)，又能節(jié)省計算時間。但其表達式是采用半經(jīng)驗公式。計算公式中考慮了： 1.漏源電源引起的表面勢壘降低而使閾值電 壓下降

3、的靜電反饋效應(yīng). 2.短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)對閾值電壓的影響.3.載流子極限漂移速度引起的溝道電流飽和效應(yīng)4.表面電場對載流子遷移率的影響.vMOS Spice模型v雙極型晶體管及其模型雙極型晶體管基本工作原理雙極型晶體管大信號模型雙極型晶體管小信號模型v集成二極管的幾種類型（續(xù)）v集成電路無源元件集成電容集成電阻E(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNP平面圖平面圖P-SubN-epiP+P+PN+N+CEB剖面圖剖面圖EBCSN+PNP等效結(jié)構(gòu)圖等效結(jié)構(gòu)圖等效電路圖等效電路圖雙極型晶體管的基本工作原理v雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)由兩個PN結(jié)組成，分別稱為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。發(fā)射極重摻雜，集電極輕摻

4、雜?；鶚O一般很薄而且輕摻雜四種工作情況工作模式發(fā)射結(jié)集電結(jié)夾斷反向反向正向有源（放大模式）正向反向反向有源反向正向飽和模式正向正向電路符號和電壓電流符號約定放大模式工作原理（以PNP為例）v在發(fā)射極-基極PN結(jié)，由于正向偏置，空穴從發(fā)射極被“注入”基極（發(fā)射，emitting）v在基極，由于基區(qū)很薄，摻雜濃度低，大部分空穴能擴散到基極-集電極的邊緣。v在集電極結(jié)，反偏電場將空穴送入集電極。（收集，collecting）Ic=Icsexp(VBE/VT)=(qAEDbnb0/W)exp(VBE/VT)v基極電流補償在基區(qū)與電子復合的空穴。此電流與集電極電流近似成正比。F=Ic/Ib 典型值為50

5、-200。PNP型晶體管放大模式空穴濃度電流示意圖v飽和模式，基區(qū)存在大量空穴，相當于閉合電路。飽和條件：Vce=Vbe-Vbc0.1-0.2V。v反向有源模式，相當于集電極成為發(fā)射極，發(fā)射極成為集電極。但是由于原集電極相對于基區(qū)的摻雜濃度不高，放大效率并不顯著。 v截止模式，相當于開路。其余工作模式晶體管的IV特性曲線及Early電壓理想狀況實際狀況（Early電壓）雙極型晶體管大信號模型飽和區(qū)的大信號模型雙極型晶體管小信號模型v混合模型。與MOS晶體管的主要區(qū)別是多了一個有限的基-射電阻。主要參數(shù)的計算vgmr0=VA/VT,是一個與晶體管工作點無關(guān)的量。對NPN管，典型值為2000-80

6、00。這是單個管能達到的最大電壓增益。v電阻rb模擬了基極接觸和有效基區(qū)之間的半導體材料電阻。這個電阻雖然小，但卻是限制高頻、低增益雙極型電路速度的一個重要因素，同時也是主要的噪聲源。高頻電路下的電容勢壘電容的來源勢壘電容的來源當外加電壓周期性變化時，載流子則周期性地流入或流出勢壘區(qū)，相當于電容周期地充電，放電，這就是PN結(jié)勢壘電容勢壘電容。PN結(jié)擴散電容正向偏壓時，擴散區(qū)的電荷隨外加電壓的變化所產(chǎn)生的電容效應(yīng)稱為“擴散電容擴散電容” 較大正向偏壓時，擴散電容起主要作用P-SubN-epiP+P+PN+N+CEB剖面圖剖面圖雙極型晶體管的速度指標單位增益頻率：即晶體管電流降為1時的頻率。這個值

7、提供了有效使用晶體管的最高頻率。集成集成NPNNPN晶體管與分立晶體管與分立NPNNPN晶體管的差別晶體管的差別P-SubN-epiP+P+PN+N+CEBE(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNP（1）四層三結(jié)結(jié)構(gòu)，構(gòu)）四層三結(jié)結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了一個寄生的成了一個寄生的PNP晶體管（有源寄生）晶體管（有源寄生）（2）電極都從上表面引）電極都從上表面引出，造成電極的串聯(lián)出，造成電極的串聯(lián)電阻和電容增大（無電阻和電容增大（無源寄生）源寄生）集成集成NPNNPN晶體管的晶體管的有源有源寄生效應(yīng)寄生效應(yīng) （1）NPN晶體管正向有源時晶體管正向有源時P-SubN-epiP+P+PN+N+CEBE(N+)

8、B(P)C(N)NPNS(P)PNPVBC0 VSC0 VSC0 寄生寄生PNP晶體管正向有晶體管正向有源導通源導通。 有電流流向襯底，有電流流向襯底，影響影響NPN晶體管的正晶體管的正常工作。常工作。 飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏反向有源區(qū)：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反向有源區(qū)：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)正偏正偏擊穿區(qū)擊穿區(qū)集成集成NPNNPN晶體管的晶體管的有源有源寄生效應(yīng)寄生效應(yīng) （3）減?。p小有源寄生效應(yīng)的措施有源寄生效應(yīng)的措施P-SubN-epiP

9、+P+PN+N+CEB增加增加n+埋層埋層 加大了寄生加大了寄生PNP晶晶體管的基區(qū)寬度體管的基區(qū)寬度形成了寄生形成了寄生PNP晶晶體管基區(qū)減速場體管基區(qū)減速場E(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNPN+集成集成NPNNPN晶體管的晶體管的無源無源寄生效應(yīng)寄生效應(yīng) （1）集電極）集電極寄生電阻寄生電阻增加增加n+埋埋層、穿透層、穿透磷擴散、磷擴散、薄外延等薄外延等措施可有措施可有效地減小效地減小集電極串集電極串聯(lián)電阻聯(lián)電阻 wcwedcelelchchb R1= epi*hclc*wc R5= epi*hble*we R2=wclc*RBL*13 R4=wele*RBL*13 R3= R

10、BL*dce(lc+le)/2R1R5R4R2R3集成集成NPNNPN晶體管的晶體管的無源無源寄生效應(yīng)寄生效應(yīng) （2）基極和發(fā)射極）基極和發(fā)射極寄生電阻寄生電阻R1R3R2 基極串聯(lián)電阻引起基極串聯(lián)電阻引起發(fā)射極電流集邊效應(yīng)，發(fā)射極電流集邊效應(yīng)，還影響高頻增益和噪聲還影響高頻增益和噪聲性能。主要由性能。主要由R2、R3決決定（定（ R1可以忽略）。可以忽略）。 發(fā)射極串聯(lián)電阻很發(fā)射極串聯(lián)電阻很小，一般可以忽略。小，一般可以忽略。 集成集成NPNNPN晶體管的晶體管的無源無源寄生效應(yīng)寄生效應(yīng) （3）寄生電容寄生電容寄生電容包括：寄生電容包括： 發(fā)射結(jié)電容、發(fā)射結(jié)電容、 集電結(jié)電容、集電結(jié)電容、

11、隔離結(jié)電容。隔離結(jié)電容。PN結(jié)電容：結(jié)電容： PN結(jié)勢壘電容結(jié)勢壘電容 PN結(jié)擴散電容。結(jié)擴散電容。集成集成NPNNPN晶體管常用圖形及特點晶體管常用圖形及特點 （1）單基極條形）單基極條形結(jié)構(gòu)簡單、面積小結(jié)構(gòu)簡單、面積小寄生電容小寄生電容小電流容量小電流容量小基極串聯(lián)電阻大基極串聯(lián)電阻大集電極串聯(lián)電阻大集電極串聯(lián)電阻大P-SubN-epiP+P+PN+N+CEB集成集成NPNNPN晶體管常用圖形及特點晶體管常用圖形及特點 （2）雙基極條形）雙基極條形與單基極條形相比：與單基極條形相比：基極串聯(lián)電阻小基極串聯(lián)電阻小電流容量大電流容量大面積大面積大寄生電容大寄生電容大N-epiP+PN+N+CE

12、BP-SubP+BN+集成集成NPNNPN晶體管常用圖形及特點晶體管常用圖形及特點 （3）雙基極雙集電極形）雙基極雙集電極形與雙基極條形相比：與雙基極條形相比：集電極串聯(lián)電阻小集電極串聯(lián)電阻小面積大面積大寄生電容大寄生電容大N-epiP+PN+N+CEBP-SubP+BN+N+C集成集成NPNNPN晶體管常用圖形及特點晶體管常用圖形及特點 （4）雙射極雙集電極形）雙射極雙集電極形與雙基極雙與雙基極雙集電極集電極形相比：形相比：集電極串聯(lián)電阻小集電極串聯(lián)電阻小面積大面積大寄生電容大寄生電容大N-epiP+PN+N+CP-SubP+N+N+CBN+EE集成集成NPNNPN晶體管常用圖形及特點晶體管

13、常用圖形及特點 （5）馬蹄形）馬蹄形電流容量大電流容量大集電極串聯(lián)電阻小集電極串聯(lián)電阻小基極串聯(lián)電阻小基極串聯(lián)電阻小面積大面積大寄生電容大寄生電容大集成集成NPNNPN晶體管常用圖形及特點晶體管常用圖形及特點 （6）梳狀）梳狀 vMOS Spice模型v雙極型晶體管及其模型雙極型晶體管基本工作原理雙極型晶體管大信號模型雙極型晶體管小信號模型v集成二極管的幾種類型（續(xù)）v集成電路無源元件集成電容集成電阻一般集成二極管一般集成二極管 1. B-C短接短接VF=VBEFBV=BVBECj = Ce Cp= Cs無寄生無寄生PNP管效應(yīng)管效應(yīng)P-SubN-epiP+P+PN+N+EBC一般集成二極管一

14、般集成二極管 2. B-E短接短接VF=VBCFBV=BVBCCj = Cc Cp= Cs有寄生有寄生PNP管效應(yīng)管效應(yīng)P-SubN-epiP+P+PN+N+EBC一般集成二極管一般集成二極管 3. C-E短接短接VF=VBCFBV=BVBECj = Cc+ Ce Cp= Cs有寄生有寄生PNP管效應(yīng)管效應(yīng)P-SubN-epiP+P+PN+N+EBC一般集成二極管一般集成二極管 4. C開路開路VF=VBEFBV=BVBECj = Ce Cp= Cc*Cs /(Cc+ Cs）有寄生有寄生PNP管管P-SubN-epiP+P+PN+N+EBC一般集成二極管一般集成二極管 5. E開路開路VF=V

15、BCFBV=BVBCCj = Cc Cp= Cs有寄生有寄生PNP管管P-SubN-epiP+P+PN+N+EBC一般集成二極管一般集成二極管 6. 單獨單獨BC結(jié)結(jié)VF=VBCFBV=BVBCCj = Cc Cp= Cs有寄生有寄生PNP管管P-SubN-epiP+P+PN+BC一般集成二極管一般集成二極管 7.單獨單獨SC結(jié)結(jié)VF=VSCFBV=BVSCCj = Cs Cp= 0無寄生無寄生PNP管管N-epiP+P+N+CP-SubvMOS Spice模型v雙極型晶體管及其模型雙極型晶體管基本工作原理雙極型晶體管大信號模型雙極型晶體管小信號模型v集成二極管的幾種類型（續(xù)）v集成電路無源元件集成電容集成電阻集成電路無源器件一、電容在高速集成電路中，有多種實現(xiàn)電容的方法：1）利用二極管和三極管的結(jié)電容；2）利用叉指金屬結(jié)構(gòu)；3）利用金屬-絕緣體-金屬(MIM)結(jié)構(gòu)；4）利用多晶硅/金屬-絕緣體-多晶硅結(jié)構(gòu)；叉指金屬結(jié)構(gòu)和MIM結(jié)構(gòu)電容CMOS集成電容vMOS電容、多晶/多晶電容、金屬/多晶電容寄生電容v上極板寄生電容主要是連接電容的互聯(lián)