数字集成电路第2章.

第二章集成电路中的晶体管及其寄生效应集成电路中的晶体管及其寄生效应BE正偏BC反偏正向工作区模拟BE正偏BC正偏饱和工作区数字BE反偏BC正偏反向工作区数字BE反偏BC反偏截止工作区模拟集成电路中的晶体管及其寄生效应由于衬底始终接最负的电位,以保证各隔离岛之间的绝缘,所以寄生的PNP管的集电结总是反偏PNP管的发射结的偏置状态:可能正偏;可能反偏当NPN管工作在饱和反向状态时，其BC正偏，亦即PNP管发射极正偏，PNP处于正向工作状态，有电流流向衬底，影响集成电路电路工作晶体管EM模型1954年J.JEBbers提出:基本思想是晶体管可认为是基于正向晶体管和基于反向晶体管（E、C互换）的叠加《晶体管原理》αF、αR分别是NPN管正反向运用时的共基极短路电路增益；αSF、αSR分别是PNP管正反向运用时的共基极短路电路增益四层三结电流方程式32'32132121)1()1()1()1(IIIIIIIIIIIIIISFSSRSFFCSRRFBRF各结电流方程式)1()1()1(/3/2/1tSCtBCtBEVVSSVVCSVVESeIIeIIeII矩阵形式321'34IIIIIIISCBE三层二结结构电流方程式00101101RFFRFRCBEIIIII集成双极晶体管的有源寄生效应PN结正偏工作时，VF0tFtFVVVVee//)1(集成双极晶体管的有源寄生效应PN结反偏工作时，VR01)1(/tRVVe集成双极晶体管的有源寄生效应在电流叠加运算时，只计算即可忽略反偏电流，当全部都反偏时，只考虑ISS项VSC总是小于零的，所以tFVVe/0)1(/SSVVSSIeItSCNPN管工作正向、截止区的情况NPN管工作正向、截止区，NPN管的BC结压降VBC-NPN0，即PNP管的BE结压降VBE-PNP0，因为PNP管的BC结压降VBC-PNP0所以PNP管截止IS‘=ISS近似为零，PNP管对NPN管基本没有影响，只是反向漏电流而已NPN管工作反向区的情况对于NPN管VBE-NPN0，VBC-NPN0对于PNP管VBE-PNP=VBC-NPN0，VBC-PNP0所以PNP工作在正向工作区NPN管工作反向区的情况SSVVCSESSFSRSFFSRRFRSCBEIeIIIIIItBC)1(10)1()1(1101/'NPN管工作反向区的情况0)1(0)1(1/'tBCVVCSSFSFRRSCBEeIIIIINPN管工作反向区的情况PNP管对IE、IB没有影响，而对IC则减少了PNP管的导通结果，使相当大一股反向NPN管的“发射极”电流作为无用电流IS’而流入衬底RSFINPN管工作反向区的情况要减少寄生PNP管的影响，增加有用电流的比值，就要减小寄生PNP管正向运用时的共基极短路电流增益αSF掺金工艺：增加大量复合中心，而使少子寿命大大下降埋层工艺：PNP基区宽度大大增加，且埋层上扩散在寄生PNP管基区形成减速场，使少子在基区的渡越时间增加NPN管工作反向区的情况以上两种方法均可使αSF大大下降，一般小于0.01NPN管工作饱合区的情况对于NPN管VBE-NPN0，VBC-NPN0对于PNP管VBE-PNP0，VBC-PNP0所以NPN工作在饱和工作区PNP工作在正向工作区NPN管工作饱合区的情况00)1(111'RFSFSFFRFRSCBEIIIIIINPN管工作饱合区的情况tttVVFRSFRSBVVRSFSCVVRSFRSEESFCSRBCBEeIIeIIeIIIIVVV/'/'/'1111111NPN管工作饱合区的情况要减少寄生PNP管的影响，增加有用电流的比值，就要减小寄生PNP管正向运用时的共基极短路电流增益αSF掺金工艺：埋层工艺：增加∆V:利用肖特基二极管,对BC嵌位,使VBC下降为0.5左右，这样可降低电流IS’。集成双极晶体管的无源寄生效应考虑电荷存储效应CJ、CD;晶体管有效基区到晶体管各引出端之间的欧姆体电阻；它们会对晶体管工作产生影响，称为无源寄生效应集成NPN晶体管的寄生电阻发射极串联电阻rES集电极串联电阻rCS基极电阻rB发射极串联电阻rES发射极串联电阻rES由发射极金属和硅的接触电阻rE-C与发射体电阻组成rE-B发射体电阻很小（由于N+，1020CM-3）接触电阻rE-C与发射级接触孔面积有关（反比）RC为硅与发射极金属的欧姆接触系数ECCESRr集电极串联电阻rCS)()/ln()()/ln(321321baWLbaTrWLRrbaWLbaTrrrrrcBLCEBLSccccccs基极电阻rB欧姆一般很小201033211321BSBEBEBSBEEBBBBBrRLWrRLWrrrrr基极电阻rBrB的误差较大发射极电流有集边效应所以工作点设计时可以取较大的IC，以降低rB；在版图设计上，采用双基或梳状电极，以减小rB集成NPN晶体管的寄生电容与PN结有关的耗尽层势垒电容CJ与可动载流子在中性区的存储电荷有关的扩散电容CD；还有一个CS；电极引线的延伸电极电容CPADPN结有关的耗尽层势垒电容CJ计算可利用劳伦斯-沃纳曲线,根据扩散的具体情况,直接从这些曲线族上查出有关扩散的单位面积结电容假设:耗尽近似;恒定衬底浓度。精确计算反偏集电结和隔离结（衬底结）势垒电容，不能直接计算发射结电容和正偏集电结电容。还有梅耶查表法算电容扩散电容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在PN结反偏时，少子是耗尽的，所以扩散电容是不予考虑的，只需考虑正偏是的情况晶体管正向时只考虑CDE，晶体管反向时只考虑CDC，晶体管饱和时兼考虑CDE、CDC扩散电容CDQDE、QDC为由于正偏VBE、VBC各自引起的晶体管内总的可动载流子储存电荷)1()1()/()/(tBCtBEVVSECBCECRDCDCDCVVSCCBECCFDEDEDEeIIVIVQCeIIVIVQC扩散电容CDτF为晶体管总的正向渡越时间τR为晶体管总的反向渡越时间对于小信号分析来说tECmRRmRVBCDCDCtCCVBECCmFFmFVDEDEDEVIggdVdQCVIdVdIggdVdQCBEBCBC000当VBC为正偏,集电结扩散电容是较大的,影响数字集成电路的速度,减小方法如下:采用电阻率较低的薄外延层减小管芯面积将晶体管控制在浅饱和区(STTL)集电区掺金,增加复合中心的方法,以降低少子的寿命采用阻止集电结正偏的电路结构(ECL)集成电路中的PNP管应用于运算放大器输入级、输出级有源负载工艺采用于NPN管一样的方法，性能是不如NPN管，但电路使用了PNP管会使电路性能大大改善分类：横向PNP、衬底PNP集成电路中的PNP管特点BVEBO高；（xJCρepi高之故）β小；由于基区宽度不可能太小，又加上寄生PNP管的作用；模：β=100-500；数：β=10-50频率响应差临界电流Icr小分析β下降原因：存在纵向PNP管横向PNP管本身的结构限制存在纵向PNP管只有从发射区侧面注入的空穴才对横向PNP管的电流增益有贡献，而发射区底面积注入的空穴只对纵向的寄生PNP管的β有贡献提高β的方法图形设计上采用窄条形，减小发射区面积与周长之比，窄条形有较小的面积周长之比，而且越窄越好考虑到最小开孔，一般正方形,工作电流大时用长方形为了减小表面复合的影响和获得均匀表面横向基区宽度,把图形四角改为圆角,甚至发射极也改为圆角提高β的方法增加结深；xJC可以增加发射极侧面积采用埋层工艺可以减小纵向寄生PNP管影响增加埋层可使纵向管PNP的基区宽度增加而且埋层减小了纵向PNP管的基区电阻,使其注入效率降低埋层上的扩散形成了对空穴的减速场,最后使寄生的PNP管β下降横向PNP管本身的结构限制横向平均基区宽度不可能作的太小发射极注入效率太低表面复合影响大分析fT下降原因(1-5MHZ)横向PNP管的有效平均基区宽度大埋层抑制作用,使折回集电极的少子路程增加空穴扩散系数为电子扩散系数的三分之一横向PNP管接为共发射极接法时,其衬底结电容和发射结电容并联,也会使fT下降以上原因使PNP管基区渡越时间较长,基区存储电荷较多,而使fT下降提高fT的方法增加结深xJC减小LE，在满足电流情况下，发射极尽可能作小。提高工艺精度以降低WBL-MIN降低外延层掺杂浓度，提高横向PNP管的发射区浓度NE-PNP临界电流Icr小的原因BLPBBELcrWDNqAI临界电流Icr小的原因ALE较小NB=Nepi较低WBL较大DPB为基区中空穴的扩散系数，较小提高临界电流Icr的方法多个PNP管并联P+扩散来制作横向PNP管的发射区和集电区，浓度提高了，有较好的发射效率，但工艺麻烦，另外，结深较深，集电极薄层电阻RSE下降，使β也提高了多集电极横向PNP管各集电区的结深相等集电区与发射区的间距相等结上的反偏电压相等那么，各集电极的电流正比于所对应的有效集电区侧面积多集电极横向PNP管21212121212211EEjcEjcECCCCBCCFCCBFCCCBFCLLxLxLAAIIIIIAAIIAAII大电流增益的复合PNP管NPNFNPNFPNPFCF大电流增益的复合PNP管性质是PNP管都工作在正向区，集电极比基极低两个VD复合管的增益大许多特征频率无变化复合管面积比单管大了衬底PNP管横向的PNP管的βFfTIcr较小，只能用于小电流；衬底PNP管则可用大电流。衬底PNP管的制作工艺与NPN管制作工艺完全兼容，在NPN管基区扩散的同时，形成衬底PNP管的发射区，集电区是整个电路的公共衬底，只有利用PN结的隔离技术，才能制造衬底PNP管。衬底PNP管特点集电极为衬底，衬底是接最低电位，所以使用范围有限，只能做集电极最负的射极跟随器晶体管发生在纵向，又称纵向PNP管，工作电流比横向的大，发射极面积可以增大或多个发射极并联使用，临界电流Icr大衬底PNP管特点衬底为集电极，不存在有源寄生效应，故可不用隐埋层基区电阻大，特别外延区基区电阻E-B连接，因为衬底PNP管的发射区周长较长，加上外延层电阻高，基极电位将随基极的位置而异，从而造成发射结注入的不均匀，E-B短接后可减少自偏置效应，改善电流特性衬底PNP管特点E-B短接后，有助于减小表面复合的影响，提高βF集电极串联电阻和集电结电容较大，为了减小电阻，一般集电极接触窗口放在与衬底PNP管紧挨着隔离槽上衬底PNP管的fTIcr衬底PNP管，由于没有寄生PNP管，所以的fTIcr都比横向PNP管大，但比一般的NPN管还是小很多原因是有效基区宽度WBL和反映注入比的RSE/RSB都大。衬底PNP管的fTIcrNPNSBSEPNPSBSEmcbmebjcepiBVRRRRxxxTW自由集电极纵向PNP管衬底PNP管集电极接最负，限制它的使用；自由集电极纵向PNP管集电极可接任意电位。构成：P-BL下隔离扩散；P+上隔离扩散，并作为深P+集电极；P发射区