模拟集成电路三极管

模拟集成电路三极管Dr.JianFang.UESTC三极管三极管的基本工作原理三极管集成实现的各种结构及特点三极管模型（大信号，小信号）Dr.JianFang.UESTC模拟集成电路中常见的三极管npn管横向pnp管纵向pnp管超增益npn管（β≥1000）Dr.JianFang.UESTC三极管的基本工作原理Dr.JianFang.UESTCDr.JianFang.UESTCNPN管P-subP+P+N+N+PwellN+BLN+PNPEBCSBECSNPN管寄生PNP管问题:如何减小寄生管的影响?如何表征该器件?Dr.JianFang.UESTC如何减小寄生管的影响?NPN管N+PNPBECS寄生PNP管VbeVbc饱和区反向工作区截止区正向工作区EBCSDr.JianFang.UESTC结论:当NPN工作于饱和区或方向工作区时,寄生PNP处于正向工作状态.严重影响电路工作.一般地,模拟集成电路中,NPN要求工作于截止区和正向工作区.此时,寄生PNP的影响基本可以避免.Dr.JianFang.UESTC如何表征该器件?N+PNPBECSNPN管寄生PNP管采用四层三结的EM模型:αF,αR为NPN管正/反向共基电流增益αSF,αSR为寄生PNP正/反向共基电流增益Dr.JianFang.UESTC如何减小寄生管的影响?(续)NPN管工作于正向工作区和截止区

寄生管可以忽略NPN管工作于反向工作区时这里:Dr.JianFang.UESTCNPN管工作于饱和区Dr.JianFang.UESTC改进方案掺金工艺降低寿命.埋层结构 基区宽度增加,引入减速场,减小渡越时间.Dr.JianFang.UESTC采用肖特基二极管对BC结钳位.改进方案有用电流与衬底电流之比:增大:减小:Dr.JianFang.UESTC无源寄生效应P-subP+P+N+N+PwellN+BLEBCSP-subP+N+N+PwellN+BLEBCSDr.JianFang.UESTC设计要点:P-subP+N+N+PwellN+BLEBCS

Pwell的浓度和深度外延的浓度和厚度加埋层做穿透横向距离发射结面积/发射结周长大电流下发射结采用条形/梳状结构Dr.JianFang.UESTC肖特基钳位晶体管Dr.JianFang.UESTC超增益npn管（β≥1000）Dr.JianFang.UESTC集成电路中的pnp型管Dr.JianFang.UESTC横向pnp管Lateralpnptransistor小高频率响应差临界电流小Dr.JianFang.UESTC横向pnp晶体管的主要特点(提要)：

BVEBO高，主要是由于xjc深，epi高之故。•

电流放大系数小，主要原因：

由于工艺限制，基区宽度不可能太小；

纵向寄生pnp管将分掉部分的发射区注入电流，只有侧壁注入的载流子才对横向pnp管的有贡献。

基区均匀掺杂，无内建加速电场，主要是扩散运动。发射极注入效率较低表面迁移率低于体内迁移率。

基区的表面复合作用。Dr.JianFang.UESTC横向pnp直流放大倍数Dr.JianFang.UESTC寄生效应ECBDr.JianFang.UESTC设计考虑:在图形上减小发射区面积与周长之比.(与NPN设计相反).减小表面电流引起的基极电流增加.采用集电极包围发射极的结构增大结深采用埋层工艺小电流应用Dr.JianFang.UESTC频率响应差:1.平均有效基区宽度大，基区渡越时间长。2.空穴的扩散系数仅为电子的1/3。

3.埋层的抑制作用,使得折回集电极的少子路径增加.改进方案:

1.增加结深2.减小LE,发射区做最小尺寸.3.降低WBL,4.降低外延浓度,提高发射区浓度.(与PNP要求有矛盾)Dr.JianFang.UESTCDr.JianFang.UESTC发生大注入时的临界电流小

横向pnp的基区宽度大，外延层Nepi低，空穴扩散系数低。解决方案:

采用多管并联Dr.JianFang.UESTC设计要求:在图形上减小发射区面积与周长之比.(与NPN设计相反).减小表面电流引起的基极电流增加.采用集电极包围发射极的结构;增大结深;提高发射极浓度;采用埋层工艺;小电流应用;减小基区宽度.采用并联结构.Dr.JianFang.UESTC其他的横向pnp管:多集电极横向pnp管:Dr.JianFang.UESTC其他的横向pnp管:达林顿复合pnp管:Dr.JianFang.UESTC

纵向pnp管(衬底pnp管Substratepnptransistor)

它以P型衬底作集电区，集电极从浓硼隔离槽引出。N型外延层作基区，用硼扩散作发射区。由于其集电极与衬底相通，在电路中总是接在最低电位处，这使它的使用场合受到了限制，在运放中通常只能作为输出级或输出缓冲级使用。Dr.JianFang.UESTC纵向pnp管（衬底pnp晶体管）Dr.JianFang.UESTC衬底pnpDr.JianFang.UESTC

纵向pnp管主要特点：

纵向pnp管的C区为整个电路的公共衬底，直接最负电位，交流接地。使用范围有限，只能用作集电极接最负电位的射极跟随器。晶体管作用发生在纵向，各结面较平坦，发射区面积可以做得较大，工作电流比横向pnp大。因为衬底作集电区，所以不存在有源寄生效应，故可以不用埋层。(一定不要用埋层)Dr.JianFang.UESTC外延层作基区，基区宽度较大，且硼扩散p型发射区的方块电阻较大，因此基区输运系数和发射效率较低，电流增益较低。由于一般外延层电阻率epi较大，使基区串联电阻较大。可采取E、B短接的方式，使外基区电阻=0，同时减小了自偏置效应，抑制趋边效应，改善电流特性；E、B短接还有助于减少表面复合的影响，提高电流增益。Dr.JianFang.UESTC

提高衬底pnp管电流增益的措施

降低基区材料的缺陷，减少复合中心数目，提高基区少子寿命。

适当减薄基区宽度，采用薄外延材料。但同时应注意，一般衬底pnp管与普通的npn管做在同一芯片上，pnp基区对应npn管的集电区，外延过薄，将导致npn管集电区在较低反向集电结偏压下完全耗尽而穿通。适当提高外延层电阻率，降低发射区硼扩散薄层电阻，以提高发射结注入效率。

在衬底和外延层之间加p+埋层，形成少子加速场，增加值。注意在纵向pnp管中不能加n+埋层，这样将形成少子减速场，降低值。Dr.JianFang.UESTC自由集电极纵向pnp管Dr.JianFang.UESTC晶体管的模型Dr.JianFang.UESTC大信号模型Dr.JianFang.UESTCDr.JianFang.UESTCVADr.JianFang.UESTC小信号模型Dr.JianFang.UESTCDr.JianFang.UESTCDr.JianFang.UESTCSummaryofactive-devicepapametersCollectorcurrentTransconductanceInputresistanceOutputresistanceCollector-baseresistanceBased-charging