集成電路中的晶體管及其寄生效應(yīng)課件

第二章集成電路中的晶體管及其寄生效應(yīng)

元器件是組成集成電路的基本元素。元器件集成在一起后，其結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生了變化，直接影響著集成電路的性能。2.1集成NPN晶體管常用圖形及特點結(jié)構(gòu)簡單、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（1）單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+（2）雙基極條形2.1集成NPN晶體管常用圖形及特點與雙基極條形相比：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（3）雙基極雙集電極形2.1集成NPN晶體管常用圖形及特點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（4）雙射極雙集電極形2.1集成NPN晶體管常用圖形及特點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（5）馬蹄形2.1集成NPN晶體管常用圖形及特點（6）梳狀2.1集成NPN晶體管常用圖形及特點1.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（無源寄生）2.

NPN晶體管的四種工作狀態(tài)2.2集成NPN晶體管的有源寄生效應(yīng)2.2集成NPN晶體管的有源寄生效應(yīng)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)NPNCJS3.NPN晶體管正向有源時P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEBE(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNPVBC>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。4.NPN晶體管飽和或反向有源時2.2集成NPN晶體管的有源寄生效應(yīng)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E(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNP5.減小有源寄生效應(yīng)的措施2.2集成NPN晶體管的有源寄生效應(yīng)P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEB要提高有用電流的比值,減少寄生PNP管的影響,就要減小aSF和增大△V。采用摻金工藝及埋層工藝可以減小aSF；而增大△V，可以采用肖特基二極管（SBD）對BC結(jié)進(jìn)行箝位，使VBC下降為0.5V左右,這樣使IS下降到原來的1/50，在STTL電路中就是用此法來降低IS的。E(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNP6.減小有源寄生效應(yīng)的措施△V=VBE-VBC2.2集成NPN晶體管的有源寄生效應(yīng)2.3集成雙極晶體管的無源寄生效應(yīng)

圖2.3標(biāo)有無源寄生元件的集成NPN晶體管結(jié)構(gòu)圖2.3.1集成NPN晶體管中的寄生電阻1.發(fā)射極串聯(lián)電阻rES

發(fā)射極串聯(lián)電阻由發(fā)射極金屬和硅的接觸電阻rE,c與發(fā)射區(qū)的體電阻rE,b兩部分組成：2.3.1集成NPN晶體管中的寄生電阻２.集電極串聯(lián)電阻rCS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

wcwedcelelchchbR1=

epi*hclc*wcR5=

epi*hble*weR2=wclc*R?BL*13R4=wele*R?BL*13R3=R?BL*dce(lc+le)/2R1R5R4R2R3２.集電極串聯(lián)電阻rCS2.3.1集成NPN晶體管中的寄生電阻3.基區(qū)電阻rB2.3.1集成NPN晶體管中的寄生電阻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）。3.基區(qū)電阻rB2.3.1集成NPN晶體管中的寄生電阻2.3.2集成NPN晶體管中的寄生電容集成晶體管中的寄生電容會使管子的高頻性能和開關(guān)性能變壞（1）與PN結(jié)有關(guān)的耗盡層勢壘電容CJ(2)與可動載流子在中性區(qū)的存儲電荷有關(guān)的擴(kuò)散電容CD(3)電極引線的延伸電極電容Cpnd,一般情況下Cpnd很小,可忽略不計。1.PN結(jié)勢壘電容CJ2.擴(kuò)散電容CD擴(kuò)散電容反映晶體管內(nèi)可動少子存儲電荷與所加偏壓的關(guān)系寄生電容包括：發(fā)射結(jié)電容、集電結(jié)電容、隔離結(jié)電容。集成NPN晶體管中的寄生電容：PN結(jié)電容包括：PN結(jié)勢壘電容PN結(jié)擴(kuò)散電容。有底面和側(cè)面電容。2.3.2集成NPN晶體管中的寄生電容2.4集成電路中的PNP管（討論）在集成電路中常用的PNP管主要有:橫向PNP管襯底PNP管自由集電極縱向PNP管一.橫向PNP管的結(jié)構(gòu)和有源寄生效應(yīng)ECBB(N-)PNPE(P)C(P)P-subP-subEBCSPNPPN橫向PNP管正向有源、反向有源、飽和三種工作模式下，寄生的縱向PNP對其工作都有影響。2.4.1橫向PNP管二.橫向PNP管的電學(xué)特性ECB1.BVEBO高，這主要是由于XJC深、pepi高之故。2.電流增益β低，改善措施：①降低

e/b

②降低AEV/AEL③設(shè)n+埋層

④改善表面態(tài)⑤減小WbL，加大Wbv

*β大電流特性差2.4.1橫向PNP管二.橫向PNP管的電學(xué)特性ECB4.特征頻率低

(受WbL和寄生PNP影響)5.臨界電流ICr小。2.4.1橫向PNP管3.

擊穿電壓低，由c-e穿通電壓決定，突變結(jié)近似：

VPT=qNBWbL2/2

o

si三.

橫向PNP管常用圖形結(jié)構(gòu)簡單，面積小1.單個橫向PNP管2.4.1橫向PNP管三.橫向PNP管常用圖形常用在比例電流源電路中C1C2C3C1C2BBEE2.多集電極橫向PNP管2.4.1橫向PNP管多集電極結(jié)構(gòu)的應(yīng)用BECCBE(Co)IBOIBICOICICIBβ==ICIBO+ICO≈ICICO=ACACO三.橫向PNP管常用圖形3.可控增益橫向PNP管2.4.1橫向PNP管三.橫向PNP管常用圖形基極等電位的橫向PNP管共用一個隔離區(qū)4.多發(fā)射極多集電極橫向PNP管2.4.1橫向PNP管三.橫向PNP管常用圖形5.大容量橫向PNP管2.4.1橫向PNP管圖2.13橫向PNP管的結(jié)構(gòu)（a）工藝復(fù)合圖；（b）橫截面圖1.橫向PNP管2.多集電極橫向PNP管圖2.17多個PNP管并聯(lián)以提高Ic（a）復(fù)合版圖；（b）等效電路圖2.18

多集電極橫向PNP管（a）電路符號；（b）版圖

3.大電流增益的復(fù)合PNP管

在某些應(yīng)用中,要求PNP管的電流增益很大,此時可用復(fù)合PNP管。復(fù)合PNP管的組成如圖2.17所示。由圖可見，復(fù)合PNP管的全部偏壓的極性與PNP管相同，其（詳見第12章12.1節(jié)的介紹）。圖2.19

復(fù)合PNP管的電路接法和等效符號（a）電路接法；（b）等效電路；（c）版圖示意圖2.4.2襯底PNP管

由上面的分析可知,橫向PNP管的都比較小,只能用于小電流的情況。如果用下圖所示的襯底PNP管,則可在較大的電流下工作。P-SubN–-epiP+P+PECBN+圖2.201.襯底PNP管的特點(1)襯底PNP管的集電區(qū)是整個電路的公共襯底,直流接最負(fù)電位,交流是接地,所以使用范圍很有限,只能用作集電極接最負(fù)電位的射極跟隨器。（2）其晶體管作用發(fā)生在縱向，所以又稱縱向PNP晶體管，因為各結(jié)面較平坦，發(fā)射區(qū)面積可以做得很大，所以工作電流比橫向PNP管大；并可用增大發(fā)射區(qū)面積或多個發(fā)射極并聯(lián)使用的辦法來增大臨界電流ICr。(3)因為襯底作為集電區(qū),所以不存在有源寄生效應(yīng),故可不用埋層。(4)基區(qū)電阻大,特別是外基區(qū)電阻rB2較大。2.4.2襯底PNP管

襯底PNP管由于其集電極固定接電路的最負(fù)電位，因而限制了它的應(yīng)用。2.不足2.4.2襯底PNP管2.4.3自由集電極縱向PNP管圖2.21與對通隔離工藝兼容的自由集電極縱向PNP管的橫截面圖2.5集成二極管（討論）2.5.1一般集成二極管1.B-C短接VF=VBEFBV=BVBECj

=Ce

Cp=Cs無寄生PNP管效應(yīng)P-SubN–-epiP+P+PN+N+EBCVF=VBCFBV=BVBCCj=Cc

Cp=Cs有寄生PNP管效應(yīng)P-SubN–-epiP+P+PN+N+EBC2.B-E短接2.5.1一般集成二極管VF=VBCFBV=BVBECj=Cc+

Ce

Cp=Cs有寄生PNP管效應(yīng)P-SubN–-epiP+P+PN+N+EBC3.C-E短接2.5.1一般集成二極管VF=VBEFBV=BVBECj=Ce

Cp=Cc*Cs/(Cc+

Cs）有寄生PNP管P-SubN–-epiP+P+PN+N+EBC4.C開路2.5.1一般集成二極管VF=VBCFBV=BVBCCj=Cc

Cp=Cs有寄生PNP管P-SubN–-epiP+P+PN+N+EBC5.E開路2.5.1一般集成二極管VF=VBCFBV=BVBCCj=Cc

Cp=Cs有寄生PNP管P-SubN–-epiP+P+PN+BC6.單獨BC結(jié)2.5.1一般集成二極管VF=VSCFBV=BVSCCj=Cs

Cp=0無寄生PNP管N–-epiP+P+N+CP-Sub7.單獨SC結(jié)2.5.1一般集成二極管(2)單獨BC結(jié)二極管，因為它不需要發(fā)射結(jié)，所以面積可以做得很小，正向壓降也低，且擊穿電壓高。(1)BC短接二極管，因為沒有寄生PNP效應(yīng)，且存儲時間最短，正向壓降低，故一般DTL電路的輸入端的門二極管都采用這種接法；從表2.2中可以看到：2.5.2集成齊納二極管和次表面齊納管1.集成齊納二極管

集成電路中的齊納二極管一般是反向工作的BC短接二極管,因此與制作一般NPN管的工藝兼容。利用一般工藝可獲得的Vz=BVEBO約為6~9V。這種結(jié)構(gòu)的齊納二極管有以下一些缺點：（1）具有較大的正溫度系數(shù)，一般dVZ/dT=2~4mV/’c，所以熱穩(wěn)定性差。（2）內(nèi)阻較大，其內(nèi)阻RZ=R?+rd,一般情況下動態(tài)電阻rd較小，主要是歐姆電阻R?，約為40~100?.由于內(nèi)阻較大,因而其兩端的電壓VZ隨電源電壓和負(fù)載電流的變化也大。2.5.2集成齊納二極管和次表面齊納管1.集成齊納二極管（3）VZ的離散性大，由于VZ由多次擴(kuò)散決定，所以VZ值的精確控制較困難，一般NPN管的BVEBO的容差在±200mV。（4）輸出噪聲電壓較大。因為擊穿主要發(fā)生在Si表面,所以受表面的影響大。齊納二極管的特性要求①動態(tài)電阻小②擊穿電壓穩(wěn)定③噪聲小2.次表面齊納管

一般的齊納管由于擊穿發(fā)生在表面，因而輸出噪聲電壓較大，次表面齊納管是設(shè)法把擊穿由表面引入體內(nèi)?？梢杂脭U(kuò)散法和離子注入法來形成次表面齊納管。2.5.2集成齊納二極管和次表面齊納管圖2.22擴(kuò)散法形成的次表面齊納管結(jié)構(gòu)圖

離子注入法摻雜可以精確控制摻雜的濃度和深度，利用離子注入法來制造次表面齊納管，可望得到較精確的VZ值。離子注入次表面齊納管的結(jié)構(gòu)如圖2.23所示,它是在P型基區(qū)擴(kuò)散和發(fā)射區(qū)擴(kuò)散后,增加一次硼離子注入而成。離子注入摻雜分布的峰值在表面下0.5um左右，擊穿發(fā)生在離子注入?yún)^(qū)和區(qū)交界的圓環(huán)上，擊穿電壓VZ≈6.17V,標(biāo)準(zhǔn)容差小于20mV。2.次表面齊納管2.5.2集成齊納二極管和次表面齊納管圖2.23離子注入次表面齊納管結(jié)構(gòu)圖3.兩種次表面齊納二極管的版圖P-SubN–-epiP+P+PEBCP+N+N+P-SubN–-epiP+P+PPN+P+2.5.2集成齊納二極管和次表面齊納管2.6.1肖特基二極管（SDB）結(jié)構(gòu)特點：1.正向壓降低

應(yīng)減小串聯(lián)電阻2.開關(guān)時間短

多子器件3.反向擊穿電壓高

應(yīng)減小邊緣電場（P型環(huán)、覆蓋電極）P-SubN–-epiP+P+N+ABABpp2.6肖特基勢壘二極管(SBD)和肖特基箝位晶體管(SCT)2.6.2肖特基勢壘二極管工作原理

由半導(dǎo)體物理的知識可知，鋁和N型硅接觸形成的肖特基勢壘具有類似于PN結(jié)的整流特性，其V-I關(guān)系為式中的IDS為反向飽和電流，可表示為式中:為有效理查森常數(shù),室溫下N-Si的

P-Si的

T為用絕對溫度（K）表示的結(jié)溫；為用金屬與半導(dǎo)體之間的接觸勢壘高度，數(shù)值因金屬與半導(dǎo)體的不同而異；S為SBD的面積。2.6.3SBD和一般集成二極管的差別（1）SBD的反向飽和電流IDS大，約為而一般NPN管的

（3）此外,它們的正向電壓溫度系數(shù)也不同,SBD的,而一般PN結(jié)的

（4）另外,在小注入時,SBD是多子導(dǎo)電器件,所以沒有PN結(jié)中的少子存儲問題,從而使得當(dāng)外加電壓改變時,其響應(yīng)速度快。（2）SBD的正向?qū)▔航礦th小，約比PN結(jié)的Vth小0.1~0.2V2.6.3SBD和一般集成二極管的差別SBD兩端實際的直流電壓為rS為SBD的串聯(lián)電阻（b）實際SBD，理想SBD和rs的正向伏安特性SBD的等效電路及伏安特性（a）SBD的等效電路；2.6.4肖特基箝位晶體管1.SCT的結(jié)構(gòu)

圖2.25肖特基箝位晶體管（SCT）典型結(jié)構(gòu)圖（a）SBD箝位晶體管；（b）SCT的平面結(jié)構(gòu)和剖面；（c）SCT的電路符號2.肖特基晶體管抗飽和原理

NPN管正向有源或截止時，SBD截止IBICISBDIbIcP-SubN–-epiP+P+PN+N+EBCNPN管反向有源或飽和時，SBD導(dǎo)通，對IB分流，VBC被箝位βIBS=ICβ(IB-ISBD）S’=IC+ISBDβIbIc=2.6.4肖特基箝位晶體管（b）3.SCT的等效電路2.6.4肖特基箝位晶體管圖2.26SCT的等效電路及寄生電阻在SCT結(jié)構(gòu)中的位置（a）SCT的等效電路；（b）各寄生電阻在SCT結(jié)構(gòu)中的位置2.7.1MOS晶體管常用圖形WLLWLWLwW=3w2.7MOS集成電路中的有源寄生效應(yīng)2.7.2場區(qū)寄生MOS管（場開啟MOS管）1.加厚場氧化層厚度（采用等平面工藝，減小表面臺階）2.采用場區(qū)注入，提高襯底表面濃度3.控制有源區(qū)間距2.7.3寄生雙極晶體管消除寄生雙極晶體管影響的措施：

P襯底接最低電位

N襯底接最高電位使MOS管源漏區(qū)與襯底形成的二極管不處于正偏狀態(tài)N-subppppP-subnnnn2.7.4寄生可控硅—閂鎖效應(yīng)VHIHIV0VDDGNDVoViP-SubN-阱p+p+p+n+n+n+RWRSRSRWIRSIRWVDDGNDVON-P-VO必要條件：1.兩個發(fā)射結(jié)均正偏2.βnpn*βpnp>13.IPower>IH寄生可控硅一旦被觸發(fā)，