第2章集成電路中的晶體管及其寄生效應(yīng)(半導(dǎo)體集成電路共14章)課件

1、半導(dǎo)體集成電路學(xué)校：西安理工大學(xué)院系：自動(dòng)化學(xué)院電子工程系專業(yè)：電子、微電 時(shí)間：秋季學(xué)期半導(dǎo)體學(xué)校：西安理工大學(xué)第2章 集成電路中的晶體管及其寄生效應(yīng)雙極晶體管的單管結(jié)構(gòu)及工作原理理想本征雙極晶體管的EM模型集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng)集成雙極晶體管的無源寄生效應(yīng)MOS晶體管的單管結(jié)構(gòu)及工作原理MOS集成電路中的有源寄生效應(yīng)2022/10/142第2章 集成電路中的晶體管及其寄生效應(yīng)雙極晶體管的單管結(jié)構(gòu)及2.1雙極晶體管的單管結(jié)構(gòu)及工作原理雙極器件：兩種載流子（電子和空穴）同時(shí)參與導(dǎo)電2022/10/143發(fā)射區(qū)N+集電區(qū) N基區(qū)P發(fā)射結(jié)收集結(jié)發(fā)射極集電極基極BECnpN+結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1. 發(fā)

2、射區(qū)摻雜濃度最大，基區(qū)次之，集電極最小 2.基區(qū)寬度很窄2.1雙極晶體管的單管結(jié)構(gòu)及工作原理雙極器件：兩種載流子（電2022/10/144NNPECB當(dāng)發(fā)射結(jié)正偏（VBE0)，集電結(jié)反偏（VBC0)正向工作區(qū)發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射極發(fā)射電子，在基區(qū)中擴(kuò)散前進(jìn)，大部分被集電極反偏結(jié)收集： ( 接近于1） 具有電流放大作用： 2022/10/145正向工作區(qū)2022/10/1151. 發(fā)射結(jié)正偏，向基區(qū)注入電子，集電結(jié)也正偏，也向基區(qū)注入電子（遠(yuǎn)小于發(fā)射區(qū)注入的電子濃度），基區(qū)電荷明顯增加（存在少子存儲效應(yīng)），從發(fā)射極到集電極仍存在電子擴(kuò)散電流，但明顯下降。2.不再存在象正向工作區(qū)一樣的電流放大作用，即

3、 不再成立。3. 對應(yīng)飽和條件的VCE值，稱為飽和電壓VCES，其值約為0.3V，深飽和時(shí)VCES達(dá)0.10.2V。 2022/10/146當(dāng)發(fā)射結(jié)正偏（VBE0)，集電結(jié)也正偏（VBC0)時(shí)(但注意，VCE仍大于0)，為飽和工作區(qū)。NNPECB1. 發(fā)射結(jié)正偏，向基區(qū)注入電子，集電結(jié)也正偏，也向基區(qū)注入當(dāng)VBC0 ， VBE0時(shí)，為反向工作區(qū)。工作原理類似于正向工作區(qū)，但是由于集電區(qū)的摻雜濃度低，因此其發(fā)射效率低，很?。s0.02）。2022/10/147當(dāng)發(fā)射結(jié)反偏（VBE0),集電結(jié)也反偏（VBC0 ， VBE0時(shí)，為反向工作區(qū)。工作原理類似于2022/10/148共發(fā)射極的直流特性曲線

4、三個(gè)區(qū)域：飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)2022/10/118共發(fā)射極的直流特性曲線三個(gè)區(qū)域：2022/10/1492.2 理想本征集成雙極晶體管的EM模型P-SiN-SiIVA:結(jié)面積, D:擴(kuò)散系數(shù),L:擴(kuò)散長度,pn0,np0:平衡少子壽命熱電壓. T=300K,約為26mv正方向VI(mA)ISO 一結(jié)兩層二極管(單結(jié)晶體管)2022/10/1192.2 理想本征集成雙極晶體管的EM2022/10/1410+-VD正向偏置-+反向偏置二極管的等效電路模型2022/10/1110+-VD正向偏置-+反向偏置二極管的2022/10/1411 兩結(jié)三層三極管(雙結(jié)晶體管)NPNBECIEICIBIDEI

5、DCV1V2理想本征集成雙極晶體管的EM模型假設(shè)p區(qū)很寬，忽略兩個(gè)PN結(jié)的相互作用，則：2022/10/1111 兩結(jié)三層三極管(雙結(jié)晶體管)NP2022/10/1412實(shí)際雙極晶體管的結(jié)構(gòu)由兩個(gè)相距很近的PN結(jié)組成：基區(qū)寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長度，相鄰PN結(jié)之間存在著相互作用發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)收集結(jié)發(fā)射極集電極基極2022/10/1112實(shí)際雙極晶體管的結(jié)構(gòu)由兩個(gè)相距很近的2022/10/1413 兩結(jié)三層三極管(雙結(jié)晶體管)理想本征集成雙極晶體管的EM模型NPNBECIEICIBI1I2V1V2NPN管反向運(yùn)用時(shí)共基極短路電流增益NPN管正向運(yùn)用時(shí)共基極短路電流增益2022/10/111

6、3 兩結(jié)三層三極管(雙結(jié)晶體管)理想2022/10/1414BJT的三種組態(tài) 2022/10/1114BJT的三種組態(tài) 2022/10/1415 三結(jié)四層結(jié)構(gòu)(多結(jié)晶體管)ppnnIEEBCSIBICISI1I2I3V1V2V3理想本征集成雙極晶體管的EM模型2022/10/1115 三結(jié)四層結(jié)構(gòu)(多結(jié)晶體管)ppn2022/10/1416 三結(jié)四層結(jié)構(gòu)(多結(jié)晶體管)理想本征集成雙極晶體管的EM模型根據(jù)基爾霍夫定律，有：ppnnIEECSIBICISI1I2I3V1V2V32022/10/1116 三結(jié)四層結(jié)構(gòu)(多結(jié)晶體管)理想本2022/10/1417 三結(jié)四層結(jié)構(gòu)(多結(jié)晶體管)理想本征集成

7、雙極晶體管的EM模型理想本征集成雙極晶體管的EM模型2022/10/1117 三結(jié)四層結(jié)構(gòu)(多結(jié)晶體管)理想本2022/10/14182.3 集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng)C(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p) 雙極晶體管的四種工作狀態(tài)VBEVBC飽和區(qū)反向工作區(qū)截止區(qū)正向工作區(qū)(正偏)(反偏)(正偏)(反偏)ppnnIEECSIBICISI1I2I3V1V2V32022/10/11182.3 集成雙極晶體管的有源寄生2022/10/1419VBEVBC飽和區(qū)反向工作區(qū)截止區(qū)正向工作區(qū)(正偏)(反偏)(正偏)(反偏)集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng)C(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p

8、) NPN管工作于正向工作區(qū)和截止區(qū)的情況VBC0npn管VEB_pnp0VS=0VCB_pnp0VS=0VCB_pnp0npn管VBE0V2022/10/1421集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng) NPN管工作于反向工作區(qū)的情況幾個(gè)假設(shè):晶體管參數(shù)EM模型簡化2022/10/1121集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng) N2022/10/1422集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng) NPN管工作于反向工作區(qū)的EM方程(VBE(V1)0)2022/10/1122集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng) N2022/10/1423集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng) NPN管工作于反向工作區(qū)的EM方程減小了集電極電流作為無用電流流入襯底

9、采用埋層和摻金工藝2022/10/1123集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng) N2022/10/1424VEB_pnp=VBC_npn0VS=0VCB_pnp0npn管飽和工作區(qū)VBE0集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng)C(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p) NPN管工作于飽和工作區(qū)的情況正向工作區(qū)寄生晶體管對電路產(chǎn)生影響VBEVBC飽和區(qū)反向工作區(qū)截止區(qū)正向工作區(qū)(正偏)(反偏)(正偏)(反偏)2022/10/1124VEB_pnp=VBC_npn0V2022/10/1425集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng) NPN管工作于飽和工作區(qū)的EM方程2022/10/1125集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng) N2

10、022/10/14262.4 集成雙極晶體管的無源寄生效應(yīng)P+P+N+PN+-BLN-epiCBEN+2022/10/11262.4 集成雙極晶體管的無源寄生2022/10/1427集成雙極晶體管的無源寄生效應(yīng)rES=rE,c+ rE,b 發(fā)射極串聯(lián)電阻rESrE,crE,b發(fā)射區(qū)為N+擴(kuò)散,雜質(zhì)濃度在1020cm-3以上,所以發(fā)射區(qū)的體電阻很小,串聯(lián)電阻主要由金屬與硅的接觸電阻決定SE:發(fā)射極接觸孔的面積RC:為硅與發(fā)射極金屬的歐姆接觸系數(shù)E接觸電阻體電阻2022/10/1127集成雙極晶體管的無源寄生效應(yīng)rES=2022/10/1428rCS=rC1+ rC2+rC3 集電極串聯(lián)電阻rCS

11、集成雙極晶體管的無源寄生效應(yīng)rC1LWTaWbL上底為有效集電結(jié)面積SC,eff=SE并作以下近似:1.上底、下底各為等位面；2.錐體內(nèi)的電流只在垂直方向流動(dòng)；3.在上下面的電流是均勻的。EC2022/10/1128rCS=rC1+ rC2+rC3 2022/10/1429rCS=rC1+ rC2+rC3 集電極串聯(lián)電阻rCS集成雙極晶體管的無源寄生效應(yīng)rC2LE-CEC2022/10/1129rCS=rC1+ rC2+rC3 2022/10/1430rCS=rC1+ rC2+rC3 集電極串聯(lián)電阻rCS集成雙極晶體管的無源寄生效應(yīng)LWTaWbLrC3EC2022/10/1130rCS=rC1

12、+ rC2+rC3 2022/10/1431rCS=rC1+ rC2+rC3 集電極串聯(lián)電阻rCS集成雙極晶體管的無源寄生效應(yīng)rC3rC2rC1ECP+P+N+-BLN-epiCN+PBEN+2022/10/1131rCS=rC1+ rC2+rC3 2022/10/1432rB=rB1+ rB2+rB3 基區(qū)電阻rB集成雙極晶體管的無源寄生效應(yīng)EBrB3rB2rB1發(fā)射區(qū)擴(kuò)散層下的基區(qū)電阻發(fā)射區(qū)擴(kuò)散層邊緣到基極接觸孔邊緣的外基區(qū)電阻基極金屬和硅的接觸電阻以及基極接觸孔下的基區(qū)電阻2022/10/1132rB=rB1+ rB2+rB3 基2022/10/14332.5 MOSFET的單管結(jié)構(gòu)及工

13、作原理單極器件：只有一種載流子參與導(dǎo)電n+n+p型硅基板柵極絕緣層（SiO2）半導(dǎo)體基板漏極源極2022/10/11332.5 MOSFET的單管結(jié)構(gòu)及2022/10/1434VG=0VS=0VD=0柵極電壓為零時(shí)，存儲在源漏極中的電子互相隔離2022/10/1134VG=0柵極電壓為零時(shí)，存儲在2022/10/1435VGS0時(shí)，溝道出現(xiàn)耗盡區(qū)， 至VGS VTH時(shí)，溝道反型，形成了連接源漏的通路。+ + + + + + + +VGVD電流SVDS較小時(shí)，溝道中任何一處電壓的柵溝道電壓都大于閾值電壓，隨著VDS的增大，電場強(qiáng)度增大，電子漂移速度增大，因此電流隨著VDS的增大而增大。（線性區(qū)，

14、非飽和區(qū)）隨著VDS進(jìn)一步增大至VDS=VGS-VTH(即VGD0時(shí)，溝道出現(xiàn)耗盡區(qū)， 至V2022/10/1436VDID非飽和區(qū)飽和區(qū)VGN溝MOSFET的輸出特性曲線2022/10/1136VDID非飽和區(qū)飽和區(qū)VGN溝MOS場區(qū)寄生MOSFET寄生雙極晶體管寄生PNPN效應(yīng)（閂鎖（Latch up）效應(yīng)）2022/10/14372.6 MOS集成電路中的有源寄生效應(yīng)場區(qū)寄生MOSFET2022/10/11372.6 MO場區(qū)寄生MOSFET2022/10/1438n+p substraten+Ln+p substraten+L措施：1.加厚場氧化層的厚度 2.增加場區(qū)注入工序場區(qū)寄生MOSFET2022/10/1138n+p subs寄生雙極晶體管2022/10/1439n+p substraten+Ln+p substraten+L防止措施：1.增大寄生晶體管“基區(qū)寬度” 2.P型襯底接地或負(fù)電位寄生雙極晶體管2022/10/1139n+p substra寄生PNPN效應(yīng)（閂鎖（ Latch up ）效應(yīng)）2022/10/1440P-wellP