第二章--集成电路中的元器件及其寄生效应

微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter1第二章集成电路中的元器件及其寄生效应元器件是组成集成电路的基本元素，其结构和性能直接决定着集成电路的性能。微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter2§2-1集成电路中的NPN晶体管微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter3思考题1.集成NPN管与分立NPN管有什么不同？2.有源寄生效应有何影响？如何减小或消除？3.无源寄生有何影响？4.NPN管常用图形各自的特点是什么？微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter42.1.1集成NPN晶体管的结构E(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNP平面图P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEB剖面图EBCSN+PNP等效结构图等效电路图微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter52.1.2集成NPN晶体管与分立NPN晶体管的差别P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEBE(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNP（1）四层三结结构，构成了一个寄生的PNP晶体管（有源寄生）（2）电极都从上表面引出，造成电极的串联电阻和电容增大（无源寄生）微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter62.1.3集成NPN晶体管的有源寄生效应（1）NPN晶体管正向有源时P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEBE(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNPVBC0VSC0寄生PNP晶体管截止,等效为寄生电容E(N+)B(P)C(N)NPNCJS微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter72.1.3集成NPN晶体管的有源寄生效应（2）NPN晶体管饱和或反向有源时P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEBE(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNPVBC0VSC0寄生PNP晶体管正向有源导通。有电流流向衬底，影响NPN晶体管的正常工作。微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter82.1.3集成NPN晶体管的有源寄生效应（3）减小有源寄生效应的措施P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEB增加n+埋层①加大了寄生PNP晶体管的基区宽度②形成了寄生PNP晶体管基区减速场E(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNP微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter92.1.4多结晶体管E-M模型（1）定义及结电流EBCSN+PNPIEIBISICI1I2I3VBEVBCVSC端电流的定义结电流的定义结电压的定义I1I2I3=1A0B1C0D1IES(eVBE/VT-1)ICS(eVBC/VT-1)ISS(eVSC/VT-1)A=I1I2VBE=0VSC=0=-RB=I2I1VBC=0VSC=0=-FC=I2I3VBE=0VBC=0=-SRD=I3I2VBE=0VSC=0=-SF1-R0-F1-SR0-SF1微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter102.1.4多结晶体管E-M模型（2）直流模型表达式EBCSN+PNPIEIBISICI1I2I3VBEVBCVSCI1I2I3IEIBICIS=1001100-1-1001=1-R01-F1-R-SRF-(1-SF)-(1-SR)0-SF1IES(eVBE/VT-1)ICS(eVBC/VT-1)ISS(eVSC/VT-1)微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter112.1.4多结晶体管E-M模型（3）直流模型等效电路IEIBISICBECSIDEIDCIDSRIDCFIDESFIDCSRIDSrBrCSrSSrE微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter122.1.4多结晶体管E-M模型（4）瞬态模型等效电路IEIBISICBECSIDEIDCIDSRIDCFIDESFIDCSRIDSrBrCSrSSrECCCECSCDCCDECDS微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter132.1.4多结晶体管E-M模型（5）简化模型等效电路（消除有源寄生）rBrCSrECCCECSCDCCDEIEIBICBECSIDEIDCRIDCFIDE微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter142.1.5集成NPN晶体管常用图形及特点（1）单基极条形结构简单、面积小寄生电容小电流容量小基极串联电阻大集电极串联电阻大P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEB微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter152.1.5集成NPN晶体管常用图形及特点（2）双基极条形与单基极条形相比：基极串联电阻小电流容量大面积大寄生电容大N–-epiP+PN+N+CEBP-SubP+BN+微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter162.1.5集成NPN晶体管常用图形及特点（3）双基极双集电极形与双基极条形相比：集电极串联电阻小面积大寄生电容大N–-epiP+PN+N+CEBP-SubP+BN+N+C微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter172.1.5集成NPN晶体管常用图形及特点（4）双射极双集电极形与双基极双集电极形相比：集电极串联电阻小面积大寄生电容大N–-epiP+PN+N+CP-SubP+N+N+CBN+EE微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter182.1.5集成NPN晶体管常用图形及特点（5）马蹄形电流容量大集电极串联电阻小基极串联电阻小面积大寄生电容大微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter192.1.5集成NPN晶体管常用图形及特点（6）梳状微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter202.1.6习题分别画出单基极条形和双基极双集电极结构的NPN晶体管的平面图（版图）和剖面图，并说明埋层的作用。微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter21§2-2超增益晶体管微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter22思考题1.提高β值的途径有哪些？2.超增益管BC结的偏压为什么要限制在0伏左右？3.超增益管的发射区通常采用什么图形？为什么？微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter232.2.1提高NPN管β值的途径P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEB①提高发射区浓度（注意：重掺杂理论）②降低基区浓度（同时采用高阻外延）③减薄基区宽度（加深发射结深度或减小集电结的深度）④选择高寿命材料,改善表面态PN+N+PPN+N+微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter242.2.2扩散穿通型超增益管1.双磷扩散结构N–-epiP+PN+N+CEBP-SubN–-epiP+P+PN+N+CEBN+N+普通NPN管超增益NPN管微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter252.2.2扩散穿通型超增益管2.双硼磷扩散结构N–-epiP+PN+N+CEBP-SubN–-epiP+P+PN+N+CEB普通NPN管超增益NPN管P微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter262.2.2扩散穿通型超增益管3.超增益管的特点P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEBPN+N+N+N+①采用圆形发射区（周界短,受表面态影响小）②应用时BC结偏置限制在0V左右（减小基区宽度调制的影响）微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter27§2-3横向PNP管微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter28思考题1.设n+埋层对横向PNP管有什么好处？2.可控增益横向PNP管的原理是什么？3.横向PNP管的发射区为何选用较小的面积？微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter292.3.1横向PNP管的结构和有源寄生效ECBB(N-)PNPE(P)C(P)P-subP-subEBCSPNPPN横向PNP管正向有源、反向有源、饱和三种工作模式下，寄生的纵向PNP对其工作都有影响。微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter302.3.2横向PNP管的电学特性ECB1.电流增益β低，改善措施：①降低e/b②降低AEV/AEL③设n+埋层④改善表面态⑤减小WbL，加大Wbv*β大电流特性差2.击穿电压低，由c-e穿通电压决定，突变结近似：VPT=qNBWbL2/2osi3.特征频率低(受WbL和寄生PNP影响)微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter312.3.3横向PNP管常用图形1.单个横向PNP管结构简单，面积小微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter322.3.3横向PNP管常用图形2.多集电极横向PNP管常用在比例电流源电路中C1C2C3C1C2BBEE微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter332.3.3横向PNP管常用图形3.可控增益横向PNP管多集电极结构的应用BECCBE(Co)IBOIBICOICICIBβ==ICIBO+ICO≈ICICO=ACACO微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter342.3.3横向PNP管常用图形4.多发射极多集电极横向PNP管基极等电位的横向PNP管共用一个隔离区微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter352.3.3横向PNP管常用图形5.大容量横向PNP管微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCenter362.3.4习题1.画出横向PNP晶体管的平面图（版图）和剖面图，并说明埋层的作用。2.横向PNP晶体管在4种可能的偏置情况下，哪一种偏置会使寄生晶体管的影响最大？微电子中心HMEC集成电路设计原理2005年7月来逢昌HITMicro-ElectronicsCente