半導(dǎo)體集成電路第1章下

半導(dǎo)體集成電路南京理工大學(xué)電光學(xué)院第一章集成電路器件與模型（下）MOSSpice模型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(hào)模型雙極型晶體管小信號(hào)模型集成二極管的幾種類(lèi)型（續(xù)）集成電路無(wú)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)溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)體效應(yīng)（背柵效應(yīng)）短溝道效應(yīng)SPICE模型SPICE是一種對(duì)集成電路進(jìn)行模擬仿真計(jì)算的程序。它所用的模型即稱為SPICE模型。MOS管的SPICE模型一般有三種LEVEL1模型Level1是平方律模型，它是MOS晶體管的一級(jí)模型，適用于精度要求不高，溝道長(zhǎng)度較長(zhǎng)的MOS晶體管?？紤]了襯底調(diào)制效應(yīng)和溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)LEVEL2模型是基于幾何圖形分析的模型，是MOS管的二級(jí)模型。當(dāng)溝道長(zhǎng)度小于4~5微米時(shí)，LEVEL1模型不再適用。考慮了各種二級(jí)效應(yīng)，比如溝道長(zhǎng)度對(duì)開(kāi)啟電壓VTH的影響、漏柵靜電反饋效應(yīng)對(duì)VTH的影響、溝道寬度對(duì)VTH的影響；表面電場(chǎng)對(duì)載流子遷移率的影響等等。適用于短而寬的器件（L~0.7微米）而不適用于長(zhǎng)而窄的器件。LEVEL3模型是一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)化模型，適用于長(zhǎng)、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(jí)效應(yīng)，又能節(jié)省計(jì)算時(shí)間。但其表達(dá)式是采用半經(jīng)驗(yàn)公式。計(jì)算公式中考慮了：

1.漏源電源引起的表面勢(shì)壘降低而使閾值電壓下降的靜電反饋效應(yīng).2.短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)對(duì)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(chǎng)對(duì)載流子遷移率的影響.MOSSpice模型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(hào)模型雙極型晶體管小信號(hào)模型集成二極管的幾種類(lèi)型（續(xù)）集成電路無(wú)源元件集成電容集成電阻E(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNP平面圖P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEB剖面圖EBCSN+PNP等效結(jié)構(gòu)圖等效電路圖雙極型晶體管的基本工作原理雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)由兩個(gè)PN結(jié)組成，分別稱為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。發(fā)射極重?fù)诫s，集電極輕摻雜?；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(hào)和電壓電流符號(hào)約定放大模式工作原理（以PNP為例）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）在基極，由于基區(qū)很薄，摻雜濃度低，大部分空穴能擴(kuò)散到基極-集電極的邊緣。在集電極結(jié)，反偏電場(chǎng)將空穴送入集電極。（收集，collecting）Ic=Icsexp(VBE/VT)=(qAEDbnb0/W)exp(VBE/VT)基極電流補(bǔ)償在基區(qū)與電子復(fù)合的空穴。此電流與集電極電流近似成正比。βF=Ic/Ib

典型值為50-200。PNP型晶體管放大模式空穴濃度電流示意圖飽和模式，基區(qū)存在大量空穴，相當(dāng)于閉合電路。飽和條件：Vce=Vbe-Vbc~0.1-0.2V。反向有源模式，相當(dāng)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(duì)于基區(qū)的摻雜濃度不高，放大效率并不顯著。截止模式，相當(dāng)于開(kāi)路。其余工作模式晶體管的I~V特性曲線及Early電壓理想狀況實(shí)際狀況（Early電壓）雙極型晶體管大信號(hào)模型飽和區(qū)的大信號(hào)模型雙極型晶體管小信號(hào)模型混合π模型。與MOS晶體管的主要區(qū)別是多了一個(gè)有限的基-射電阻。主要參數(shù)的計(jì)算gmr0=VA/VT,是一個(gè)與晶體管工作點(diǎn)無(wú)關(guān)的量。對(duì)NPN管，典型值為2000-8000。這是單個(gè)管能達(dá)到的最大電壓增益。電阻rb模擬了基極接觸和有效基區(qū)之間的半導(dǎo)體材料電阻。這個(gè)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(gè)重要因素，同時(shí)也是主要的噪聲源。高頻電路下的電容勢(shì)壘電容（耗盡電容）擴(kuò)散電容PN結(jié)電容勢(shì)壘電容的來(lái)源當(dāng)外加電壓周期性變化時(shí)，載流子則周期性地流入或流出勢(shì)壘區(qū)，相當(dāng)于電容周期地充電，放電，這就是PN結(jié)勢(shì)壘電容。PN結(jié)擴(kuò)散電容

正向偏壓時(shí)，擴(kuò)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(kuò)散電容”較大正向偏壓時(shí)，擴(kuò)散電容起主要作用

P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEB剖面圖雙極型晶體管的速度指標(biāo)單位增益頻率：即晶體管電流降為1時(shí)的頻率。這個(gè)值提供了有效使用晶體管的最高頻率。集成NPN晶體管與分立NPN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)成了一個(gè)寄生的PNP晶體管（有源寄生）（2）電極都從上表面引出，造成電極的串聯(lián)電阻和電容增大（無(wú)源寄生）集成NPN晶體管的有源寄生效應(yīng)

（1）NPN晶體管正向有源時(shí)P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEBE(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNPVBC<0VSC<0寄生PNP晶體管截止,等效為寄生電容E(N+)B(P)C(N)NPNCJS放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏集成NPN晶體管的有源寄生效應(yīng)

（2）NPN晶體管飽和或反向有源時(shí)E(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNP

VBC>0VSC<0

寄生PNP晶體管正向有源導(dǎo)通。有電流流向襯底，影響NPN晶體管的正常工作。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)正偏擊穿區(qū)集成NPN晶體管的有源寄生效應(yīng)

（3）減小有源寄生效應(yīng)的措施P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEB增加n+埋層①加大了寄生PNP晶體管的基區(qū)寬度②形成了寄生PNP晶體管基區(qū)減速場(chǎng)E(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNPN+集成NPN晶體管的無(wú)源寄生效應(yīng)

（1）集電極寄生電阻增加n+埋層、穿透磷擴(kuò)散、薄外延等措施可有效地減小集電極串聯(lián)電阻

wcwedcelelchchb

R1=epi*hclc*wc

R5=epi*hble*weR2=wclc*R?BL*13R4=wele*R?BL*13R3=R?BL*dce(lc+le)/2R1R5R4R2R3集成NPN晶體管的無(wú)源寄生效應(yīng)

（2）基極和發(fā)射極寄生電阻R1R3R2

基極串聯(lián)電阻引起發(fā)射極電流集邊效應(yīng)，還影響高頻增益和噪聲性能。主要由R2、R3決定（R1可以忽略）。發(fā)射極串聯(lián)電阻很小，一般可以忽略。

集成NPN晶體管的無(wú)源寄生效應(yīng)

（3）寄生電容寄生電容包括：發(fā)射結(jié)電容、集電結(jié)電容、隔離結(jié)電容。PN結(jié)電容：

PN結(jié)勢(shì)壘電容

PN結(jié)擴(kuò)散電容。集成NPN晶體管常用圖形及特點(diǎn)

（1）單基極條形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、面積小寄生電容小電流容量小基極串聯(lián)電阻大集電極串聯(lián)電阻大P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEB集成NPN晶體管常用圖形及特點(diǎn)

（2）雙基極條形與單基極條形相比：基極串聯(lián)電阻小電流容量大面積大寄生電容大N–-epiP+PN+N+CEBP-SubP+BN+集成NPN晶體管常用圖形及特點(diǎn)

（3）雙基極雙集電極形與雙基極條形相比：集電極串聯(lián)電阻小面積大寄生電容大N–-epiP+PN+N+CEBP-SubP+BN+N+C集成NPN晶體管常用圖形及特點(diǎn)

（4）雙射極雙集電極形與雙基極雙集電極形相比：集電極串聯(lián)電阻小面積大寄生電容大N–-epiP+PN+N+CP-SubP+N+N+CBN+EE集成NPN晶體管常用圖形及特點(diǎn)

（5）馬蹄形電流容量大集電極串聯(lián)電阻小基極串聯(lián)電阻小面積大寄生電容大集成NPN晶體管常用圖形及特點(diǎn)

（6）梳狀MOSSpice模型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(hào)模型雙極型晶體管小信號(hào)模型集成二極管的幾種類(lèi)型（續(xù)）集成電路無(wú)源元件集成電容集成電阻一般集成二極管

1.B-C短接VF=VBEFBV=BVBECj

=Ce

Cp=Cs無(wú)寄生PNP管效應(yīng)P-SubN–-epiP+P+PN+N+EBC一般集成二極管

2.B-E短接VF=VBCFBV=BVBCCj

=Cc

Cp=Cs有寄生PNP管效應(yīng)P-SubN–-epiP+P+PN+N+EBC一般集成二極管

3.C-E短接VF=VBCFBV=BVBECj

=Cc+

Ce

Cp=Cs有寄生PNP管效應(yīng)P-SubN–-epiP+P+PN+N+EBC一般集成二極管

4.C開(kāi)路VF=VBEFBV=BVBECj

=Ce

Cp=Cc*Cs/(Cc+

Cs）有寄生PNP管P-SubN–-epiP+P+PN+N+EBC一般集成二極管

5.E開(kāi)路VF=VBCFBV=BVBCCj

=Cc

Cp=Cs有寄生PNP管P-SubN–-epiP+P+PN+N+EBC一般集成二極管

6.單獨(dú)BC結(jié)VF=VBCFBV=BVBCCj

=Cc

Cp=Cs有寄生PNP管P-SubN–-epiP+P+PN+BC一般集成二極管

7.單獨(dú)SC結(jié)VF=VSCFBV=BVSCCj

=Cs

Cp=0無(wú)寄生PNP管N–-epiP+P+N+CP-SubMOSSpice模型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(hào)模型雙極型晶體管小信號(hào)模型集成二極管的幾種類(lèi)型（續(xù)）集成電路無(wú)源元件集成電容集成電阻集成電路無(wú)源器件一、電容在高速集成電路中，有多種實(shí)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MOS電容、多晶/多晶電容、金屬/多晶電容寄生電容上極板