集成电路中的晶体管及其寄生效应课件

第二章集成电路中的晶体管及其寄生效应

元器件是组成集成电路的基本元素。元器件集成在一起后，其结构和性能发生了变化，直接影响着集成电路的性能。2.1集成NPN晶体管常用图形及特点结构简单、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（1）单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+（2）双基极条形2.1集成NPN晶体管常用图形及特点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（4）双射极双集电极形2.1集成NPN晶体管常用图形及特点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（5）马蹄形2.1集成NPN晶体管常用图形及特点（6）梳状2.1集成NPN晶体管常用图形及特点1.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）2.2集成NPN晶体管的有源寄生效应P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEBE(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNPVBC<0VSC<0寄生PNP晶体管截止,等效为寄生电容E(N+)B(P)C(N)NPNCJS3.NPN晶体管正向有源时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)PNP5.减小有源寄生效应的措施2.2集成NPN晶体管的有源寄生效应2.3集成双极晶体管的无源寄生效应

图2.3标有无源寄生元件的集成NPN晶体管结构图2.3.1集成NPN晶体管中的寄生电阻1.发射极串联电阻rES

发射极串联电阻由发射极金属和硅的接触电阻rE,c与发射区的体电阻rE,b两部分组成：2.3.1集成NPN晶体管中的寄生电阻２.集电极串联电阻rCS增加n+埋层、穿透磷扩散、薄外延等措施可有效地减小集电极串联电阻

wcwedcelelchchbR1=epi*hclc*wcR5=epi*hble*weR2=wclc*RBL*13R4=wele*RBL*13R3=RBL*dce(lc+le)/2R1R5R4R2R3２.集电极串联电阻rCS2.3.1集成NPN晶体管中的寄生电阻3.基区电阻rB2.3.1集成NPN晶体管中的寄生电阻2.3.2集成NPN晶体管中的寄生电容集成晶体管中的寄生电容会使管子的高频性能和开关性能变坏（1）与PN结有关的耗尽层势垒电容CJ(2)与可动载流子在中性区的存储电荷有关的扩散电容CD(3)电极引线的延伸电极电容Cpnd,一般情况下Cpnd很小,可忽略不计。1.PN结势垒电容CJ2.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寄生电容包括：发射结电容、集电结电容、隔离结电容。集成NPN晶体管中的寄生电容：PN结电容包括：PN结势垒电容PN结扩散电容。有底面和侧面电容。2.3.2集成NPN晶体管中的寄生电容一.横向PNP管的结构和有源寄生效应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。2.4.1横向PNP管二.横向PNP管的电学特性ECB1.BVEBO高，这主要是由于XJC深、pepi高之故。2.电流增益β低，改善措施：①降低e/b

②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2.4.1横向PNP管三.

横向PNP管常用图形结构简单，面积小1.单个横向PNP管2.4.1横向PNP管三.横向PNP管常用图形常用在比例电流源电路中C1C2C3C1C2BBEE2.多集电极横向PNP管2.4.1横向PNP管多集电极结构的应用BECCBE(Co)IBOIBICOICICIBβ==ICIBO+ICO≈ICICO=ACACO三.横向PNP管常用图形3.可控增益横向PNP管2.4.1横向PNP管三.横向PNP管常用图形5.大容量横向PNP管2.4.1横向PNP管图2.13横向PNP管的结构（a）工艺复合图；（b）横截面图1.横向PNP管2.多集电极横向PNP管图2.17多个PNP管并联以提高Ic（a）复合版图；（b）等效电路图2.18

多集电极横向PNP管（a）电路符号；（b）版图

3.大电流增益的复合PNP管

在某些应用中,要求PNP管的电流增益很大,此时可用复合PNP管。复合PNP管的组成如图2.17所示。由图可见，复合PNP管的全部偏压的极性与PNP管相同，其（详见第12章12.1节的介绍）。图2.19

复合PNP管的电路接法和等效符号（a）电路接法；（b）等效电路；（c）版图示意图2.4.2衬底PNP管

由上面的分析可知,横向PNP管的都比较小,只能用于小电流的情况。如果用下图所示的衬底PNP管,则可在较大的电流下工作。P-SubN–-epiP+P+PECBN+图2.201.衬底PNP管的特点(1)衬底PNP管的集电区是整个电路的公共衬底,直流接最负电位,交流是接地,所以使用范围很有限,只能用作集电极接最负电位的射极跟随器。（2）其晶体管作用发生在纵向，所以又称纵向PNP晶体管，因为各结面较平坦，发射区面积可以做得很大，所以工作电流比横向PNP管大；并可用增大发射区面积或多个发射极并联使用的办法来增大临界电流ICr。(3)因为衬底作为集电区,所以不存在有源寄生效应,故可不用埋层。(4)基区电阻大,特别是外基区电阻rB2较大。2.4.2衬底PNP管

衬底PNP管由于其集电极固定接电路的最负电位，因而限制了它的应用。2.不足2.4.2衬底PNP管2.4.3自由集电极纵向PNP管图2.21与对通隔离工艺兼容的自由集电极纵向PNP管的横截面图2.5集成二极管（讨论）2.5.1一般集成二极管1.B-C短接VF=VBEFBV=BVBECj

=Ce

Cp=Cs无寄生PNP管效应P-SubN–-epiP+P+PN+N+EBCVF=VBCFBV=BVBCCj=Cc

Cp=Cs有寄生PNP管效应P-SubN–-epiP+P+PN+N+EBC2.B-E短接2.5.1一般集成二极管VF=VBCFBV=BVBECj=Cc+

Ce

Cp=Cs有寄生PNP管效应P-SubN–-epiP+P+PN+N+EBC3.C-E短接2.5.1一般集成二极管VF=VBEFBV=BVBECj=Ce

Cp=Cc*Cs/(Cc+

Cs）有寄生PNP管P-SubN–-epiP+P+PN+N+EBC4.C开路2.5.1一般集成二极管VF=VBCFBV=BVBCCj=Cc

Cp=Cs有寄生PNP管P-SubN–-epiP+P+PN+N+EBC5.E开路2.5.1一般集成二极管VF=VBCFBV=BVBCCj=Cc

Cp=Cs有寄生PNP管P-SubN–-epiP+P+PN+BC6.单独BC结2.5.1一般集成二极管VF=VSCFBV=BVSCCj=Cs

Cp=0无寄生PNP管N–-epiP+P+N+CP-Sub7.单独SC结2.5.1一般集成二极管(2)单独BC结二极管，因为它不需要发射结，所以面积可以做得很小，正向压降也低，且击穿电压高。(1)BC短接二极管，因为没有寄生PNP效应，且存储时间最短，正向压降低，故一般DTL电路的输入端的门二极管都采用这种接法；从表2.2中可以看到：2.5.2集成齐纳二极管和次表面齐纳管1.集成齐纳二极管

集成电路中的齐纳二极管一般是反向工作的BC短接二极管,因此与制作一般NPN管的工艺兼容。利用一般工艺可获得的Vz=BVEBO约为6~9V。这种结构的齐纳二极管有以下一些缺点：（1）具有较大的正温度系数，一般dVZ/dT=2~4mV/’c，所以热稳定性差。（2）内阻较大，其内阻RZ=RΩ+rd,一般情况下动态电阻rd较小，主要是欧姆电阻RΩ，约为40~100Ω.由于内阻较大,因而其两端的电压VZ随电源电压和负载电流的变化也大。2.5.2集成齐纳二极管和次表面齐纳管1.集成齐纳二极管（3）VZ的离散性大，由于VZ由多次扩散决定，所以VZ值的精确控制较困难，一般NPN管的BVEBO的容差在±200mV。（4）输出噪声电压较大。因为击穿主要发生在Si表面,所以受表面的影响大。齐纳二极管的特性要求①动态电阻小②击穿电压稳定③噪声小2.次表面齐纳管

一般的齐纳管由于击穿发生在表面，因而输出噪声电压较大，次表面齐纳管是设法把击穿由表面引入体内。可以用扩散法和离子注入法来形成次表面齐纳管。2.5.2集成齐纳二极管和次表面齐纳管图2.22扩散法形成的次表面齐纳管结构图

离子注入法掺杂可以精确控制掺杂的浓度和深度，利用离子注入法来制造次表面齐纳管，可望得到较精确的VZ值。离子注入次表面齐纳管的结构如图2.23所示,它是在P型基区扩散和发射区扩散后,增加一次硼离子注入而成。离子注入掺杂分布的峰值在表面下0.5um左右，击穿发生在离子注入区和区交界的圆环上，击穿电压VZ≈6.17V,标准容差小于20mV。2.次表面齐纳管2.5.2集成齐纳二极管和次表面齐纳管图2.23离子注入次表面齐纳管结构图3.两种次表面齐纳二极管的版图P-SubN–-epiP+P+PEBCP+N+N+P-SubN–-epiP+P+PPN+P+2.5.2集成齐纳二极管和次表面齐纳管2.6.1肖特基二极管（SDB）结构特点：1.正向压降低

应减小串联电阻2.开关时间短

多子器件3.反向击穿电压高

应减小边缘电场（P型环、覆盖电极）P-SubN–-epiP+P+N+ABABpp2.6肖特基势垒二极管(SBD)和肖特基箝位晶体管(SCT)2.6.2肖特基势垒二极管工作原理

由半导体物理的知识可知，铝和N型硅接触形成的肖特基势垒具有类似于PN结的整流特性，其V-I关系为式中的IDS为反向饱和电流，可表示为式中:为有效理查森常数,室温下N-Si的

P-Si的

T为用绝对温度（K）表示的结温；为用金属与半导体之间的接触势垒高度，数值因金属与半导体的不同而异；S为SBD的面积。2.6.3SBD和一般集成二极管的差别（1）SBD的反向饱和电流IDS大，约为而一般NPN管的

（3）此外,它们的正向电压温度系数也不同,SBD的,而一般PN结的

（4）另外,在小注入时,SBD是多子导电器件,所以没有PN结中的少子存储问题,从而使得当外加电压改变时,其响应速度快。（2）SBD的正向导通压降Vth小，约比PN结的Vth小0.1~0.2V2.6.3SBD和一般集成二极管的差别SBD两端实际的直流电压为rS为SBD的串联电阻（b）实际SBD，理想SBD和rs的正向伏安特性SBD的等效电路及伏安特性（a）SBD的等效电路；2.6.4肖特基箝位晶体管1.SCT的结构

图2.25肖特基箝位晶体管（SCT）典型结构图（a）SBD箝位晶体管；（b）SCT的平面结构和剖面；（c）SCT的电路符号2.肖特基晶体管抗饱和原理

NPN管正向有源或截止时，SBD截止IBICISBDIbIcP-SubN–-epiP+P+PN+N+EBCNPN管反向有源或饱和时，SBD导通，对IB分流，VBC被箝位βIBS=ICβ(IB-ISBD）S’=IC+ISBDβIbIc=2.6.4肖特基箝位晶体管（b）3.SCT的等效电路2.6.4肖特基箝位晶体管图2.26SCT的等效电路及寄生电阻在SCT结构中的位置（a）SCT的等效电路；（b）各寄生电阻在SCT结构中的位置2.7.1MOS晶体管常用图形WLLWLWLwW=3w2.7MOS集成电路中的有源寄生效应2.7.2场区寄生MOS管（场开启MOS管）1.加厚场氧化层厚度（采用等平面工艺，减小表面台阶）2.采用场区注入，提高衬底表面浓度3.控制有源区间距2.7.3寄生双极晶体管消除寄生双极晶体管影响的措施：

P衬底接最低电位

N衬底接最高电位使MOS管源漏区与衬底形成的二极管不处于正偏状态N-subppppP-subnnnn2.7.4寄生可控硅—闩锁效应VHIHIV0VDDGNDVoViP-SubN-阱p+p+p+n+n+n+RWRSRSRWIRSIRWVDDGNDVON-P-VO必要条件：1.两个发