半导体集成电路第1章下

1、半导体集成电路南京理工大学电光学院第一章 集成电路器件与模型（下）vMOS Spice模型v双极型晶体管及其模型双极型晶体管基本工作原理双极型晶体管大信号模型双极型晶体管小信号模型v集成二极管的几种类型（续）v集成电路无源元件集成电容集成电阻集成电路中MOS晶体管的几种主要效应v沟道长度调制效应v体效应（背栅效应）v短沟道效应SPICE模型vSPICE是一种对集成电路进行模拟仿真计算的程序。它所用的模型即称为SPICE模型。vMOS管的SPICE模型一般有三种LEVEL 1模型vLevel 1是平方律模型，它是MOS晶体管的一级模型，适用于精度要求不高，沟道长度较长的MOS晶体管。v考虑了衬底

2、调制效应和沟道长度调制效应LEVEL 2模型v是基于几何图形分析的模型，是MOS管的二级模型。当沟道长度小于45微米时，LEVEL1模型不再适用。v考虑了各种二级效应，比如沟道长度对开启电压VTH的影响、漏栅静电反馈效应对VTH的影响、沟道宽度对VTH的影响；表面电场对载流子迁移率的影响等等。v适用于短而宽的器件（L0.7微米）而不适用于长而窄的器件。LEVEL 3模型v是一个半经验化模型，适用于长、宽不大于2微米的小尺寸器件。此模型公式既能比较精确的描述MOS器件中各种二级效应，又能节省计算时间。但其表达式是采用半经验公式。计算公式中考虑了： 1.漏源电源引起的表面势垒降低而使阈值电 压下降

3、的静电反馈效应. 2.短沟道效应和窄沟道效应对阈值电压的影响.3.载流子极限漂移速度引起的沟道电流饱和效应4.表面电场对载流子迁移率的影响.vMOS Spice模型v双极型晶体管及其模型双极型晶体管基本工作原理双极型晶体管大信号模型双极型晶体管小信号模型v集成二极管的几种类型（续）v集成电路无源元件集成电容集成电阻E(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNP平面图平面图P-SubN-epiP+P+PN+N+CEB剖面图剖面图EBCSN+PNP等效结构图等效结构图等效电路图等效电路图双极型晶体管的基本工作原理v双极型晶体管的结构由两个PN结组成，分别称为发射结和集电结。发射极重掺杂，集电极轻掺

4、杂。基极一般很薄而且轻掺杂四种工作情况工作模式发射结集电结夹断反向反向正向有源（放大模式）正向反向反向有源反向正向饱和模式正向正向电路符号和电压电流符号约定放大模式工作原理（以PNP为例）v在发射极-基极PN结，由于正向偏置，空穴从发射极被“注入”基极（发射，emitting）v在基极，由于基区很薄，掺杂浓度低，大部分空穴能扩散到基极-集电极的边缘。v在集电极结，反偏电场将空穴送入集电极。（收集，collecting）Ic=Icsexp(VBE/VT)=(qAEDbnb0/W)exp(VBE/VT)v基极电流补偿在基区与电子复合的空穴。此电流与集电极电流近似成正比。F=Ic/Ib 典型值为50

5、-200。PNP型晶体管放大模式空穴浓度电流示意图v饱和模式，基区存在大量空穴，相当于闭合电路。饱和条件：Vce=Vbe-Vbc0.1-0.2V。v反向有源模式，相当于集电极成为发射极，发射极成为集电极。但是由于原集电极相对于基区的掺杂浓度不高，放大效率并不显著。 v截止模式，相当于开路。其余工作模式晶体管的IV特性曲线及Early电压理想状况实际状况（Early电压）双极型晶体管大信号模型饱和区的大信号模型双极型晶体管小信号模型v混合模型。与MOS晶体管的主要区别是多了一个有限的基-射电阻。主要参数的计算vgmr0=VA/VT,是一个与晶体管工作点无关的量。对NPN管，典型值为2000-80

6、00。这是单个管能达到的最大电压增益。v电阻rb模拟了基极接触和有效基区之间的半导体材料电阻。这个电阻虽然小，但却是限制高频、低增益双极型电路速度的一个重要因素，同时也是主要的噪声源。高频电路下的电容势垒电容的来源势垒电容的来源当外加电压周期性变化时，载流子则周期性地流入或流出势垒区，相当于电容周期地充电，放电，这就是PN结势垒电容势垒电容。PN结扩散电容正向偏压时，扩散区的电荷随外加电压的变化所产生的电容效应称为“扩散电容扩散电容” 较大正向偏压时，扩散电容起主要作用P-SubN-epiP+P+PN+N+CEB剖面图剖面图双极型晶体管的速度指标单位增益频率：即晶体管电流降为1时的频率。这个值

7、提供了有效使用晶体管的最高频率。集成集成NPNNPN晶体管与分立晶体管与分立NPNNPN晶体管的差别晶体管的差别P-SubN-epiP+P+PN+N+CEBE(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNP（1）四层三结结构，构）四层三结结构，构成了一个寄生的成了一个寄生的PNP晶体管（有源寄生）晶体管（有源寄生）（2）电极都从上表面引）电极都从上表面引出，造成电极的串联出，造成电极的串联电阻和电容增大（无电阻和电容增大（无源寄生）源寄生）集成集成NPNNPN晶体管的晶体管的有源有源寄生效应寄生效应 （1）NPN晶体管正向有源时晶体管正向有源时P-SubN-epiP+P+PN+N+CEBE(N+)

8、B(P)C(N)NPNS(P)PNPVBC0 VSC0 VSC0 寄生寄生PNP晶体管正向有晶体管正向有源导通源导通。 有电流流向衬底，有电流流向衬底，影响影响NPN晶体管的正晶体管的正常工作。常工作。 饱和区：发射结正偏，集电结正偏饱和区：发射结正偏，集电结正偏放大区：发射结正偏，集电结反偏放大区：发射结正偏，集电结反偏截止区：发射结反偏，集电结反偏截止区：发射结反偏，集电结反偏反向有源区：发射结反偏，集电结反向有源区：发射结反偏，集电结正偏正偏击穿区击穿区集成集成NPNNPN晶体管的晶体管的有源有源寄生效应寄生效应 （3）减小）减小有源寄生效应的措施有源寄生效应的措施P-SubN-epiP

9、+P+PN+N+CEB增加增加n+埋层埋层 加大了寄生加大了寄生PNP晶晶体管的基区宽度体管的基区宽度形成了寄生形成了寄生PNP晶晶体管基区减速场体管基区减速场E(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNPN+集成集成NPNNPN晶体管的晶体管的无源无源寄生效应寄生效应 （1）集电极）集电极寄生电阻寄生电阻增加增加n+埋埋层、穿透层、穿透磷扩散、磷扩散、薄外延等薄外延等措施可有措施可有效地减小效地减小集电极串集电极串联电阻联电阻 wcwedcelelchchb R1= epi*hclc*wc R5= epi*hble*we R2=wclc*RBL*13 R4=wele*RBL*13 R3= R

10、BL*dce(lc+le)/2R1R5R4R2R3集成集成NPNNPN晶体管的晶体管的无源无源寄生效应寄生效应 （2）基极和发射极）基极和发射极寄生电阻寄生电阻R1R3R2 基极串联电阻引起基极串联电阻引起发射极电流集边效应，发射极电流集边效应，还影响高频增益和噪声还影响高频增益和噪声性能。主要由性能。主要由R2、R3决决定（定（ R1可以忽略）。可以忽略）。 发射极串联电阻很发射极串联电阻很小，一般可以忽略。小，一般可以忽略。 集成集成NPNNPN晶体管的晶体管的无源无源寄生效应寄生效应 （3）寄生电容寄生电容寄生电容包括：寄生电容包括： 发射结电容、发射结电容、 集电结电容、集电结电容、

11、隔离结电容。隔离结电容。PN结电容：结电容： PN结势垒电容结势垒电容 PN结扩散电容。结扩散电容。集成集成NPNNPN晶体管常用图形及特点晶体管常用图形及特点 （1）单基极条形）单基极条形结构简单、面积小结构简单、面积小寄生电容小寄生电容小电流容量小电流容量小基极串联电阻大基极串联电阻大集电极串联电阻大集电极串联电阻大P-SubN-epiP+P+PN+N+CEB集成集成NPNNPN晶体管常用图形及特点晶体管常用图形及特点 （2）双基极条形）双基极条形与单基极条形相比：与单基极条形相比：基极串联电阻小基极串联电阻小电流容量大电流容量大面积大面积大寄生电容大寄生电容大N-epiP+PN+N+CE

12、BP-SubP+BN+集成集成NPNNPN晶体管常用图形及特点晶体管常用图形及特点 （3）双基极双集电极形）双基极双集电极形与双基极条形相比：与双基极条形相比：集电极串联电阻小集电极串联电阻小面积大面积大寄生电容大寄生电容大N-epiP+PN+N+CEBP-SubP+BN+N+C集成集成NPNNPN晶体管常用图形及特点晶体管常用图形及特点 （4）双射极双集电极形）双射极双集电极形与双基极双与双基极双集电极集电极形相比：形相比：集电极串联电阻小集电极串联电阻小面积大面积大寄生电容大寄生电容大N-epiP+PN+N+CP-SubP+N+N+CBN+EE集成集成NPNNPN晶体管常用图形及特点晶体管

13、常用图形及特点 （5）马蹄形）马蹄形电流容量大电流容量大集电极串联电阻小集电极串联电阻小基极串联电阻小基极串联电阻小面积大面积大寄生电容大寄生电容大集成集成NPNNPN晶体管常用图形及特点晶体管常用图形及特点 （6）梳状）梳状 vMOS Spice模型v双极型晶体管及其模型双极型晶体管基本工作原理双极型晶体管大信号模型双极型晶体管小信号模型v集成二极管的几种类型（续）v集成电路无源元件集成电容集成电阻一般集成二极管一般集成二极管 1. B-C短接短接VF=VBEFBV=BVBECj = Ce Cp= Cs无寄生无寄生PNP管效应管效应P-SubN-epiP+P+PN+N+EBC一般集成二极管一

14、般集成二极管 2. B-E短接短接VF=VBCFBV=BVBCCj = Cc Cp= Cs有寄生有寄生PNP管效应管效应P-SubN-epiP+P+PN+N+EBC一般集成二极管一般集成二极管 3. C-E短接短接VF=VBCFBV=BVBECj = Cc+ Ce Cp= Cs有寄生有寄生PNP管效应管效应P-SubN-epiP+P+PN+N+EBC一般集成二极管一般集成二极管 4. C开路开路VF=VBEFBV=BVBECj = Ce Cp= Cc*Cs /(Cc+ Cs）有寄生有寄生PNP管管P-SubN-epiP+P+PN+N+EBC一般集成二极管一般集成二极管 5. E开路开路VF=V

15、BCFBV=BVBCCj = Cc Cp= Cs有寄生有寄生PNP管管P-SubN-epiP+P+PN+N+EBC一般集成二极管一般集成二极管 6. 单独单独BC结结VF=VBCFBV=BVBCCj = Cc Cp= Cs有寄生有寄生PNP管管P-SubN-epiP+P+PN+BC一般集成二极管一般集成二极管 7.单独单独SC结结VF=VSCFBV=BVSCCj = Cs Cp= 0无寄生无寄生PNP管管N-epiP+P+N+CP-SubvMOS Spice模型v双极型晶体管及其模型双极型晶体管基本工作原理双极型晶体管大信号模型双极型晶体管小信号模型v集成二极管的几种类型（续）v集成电路无源元件集成电容集成电阻集成电路无源器件一、电容在高速集成电路中，有多种实现电容的方法：1）利用二极管和三极管的结电容；2）利用叉指金属结构；3）利用金属-绝缘体-金属(MIM)结构；4）利用多晶硅/金属-绝缘体-多晶硅结构；叉指金属结构和MIM结构电容CMOS集成电容vMOS电容、多晶/多晶电容、金属/多晶电容寄生电容v上极板寄生电容主要是连接电容的互联