第三章 集成电路中的有源无源元件

第三章集成电路中的有源无源元件集成电路中的有源元件包括：二极管、三极管（双极型晶体管）、MOS管（单极型晶体管）等集成电路中的无源元件包括:互连线、电阻、电容、电感、传输线等本章主要内容：1.二极管2.三极管3.肖特基势垒二极管（SBD）、肖特基箝位晶体管（SCT）4.MOS管（简介，以后章节将详细介绍）5.无源元件：电阻、电容6.寄生效应3.1.二极管一个典型的二极管截面图和符号图集成电路中的二极管二极管的电流电压特性：（1）当二极管处于正向偏置（P型区接高压，N型区接低电压）时，就有正向电流从P区流向N区，而且该电流（ID）与外加电压（VD）程指数关系:

式中：IS是反向饱和电流，典型值为10－8～10－14A

Vt=kT/q

，称为热电压，k是玻尔兹曼常数（k=1.38×10－23J/K）,T是绝对温度，q是电子电荷（1.6×10-19C），27℃即300K时，Vt≈26mV（2）当二极管处于反向偏置（P型区接低压，N型区接高电压）时，反偏压产生的外电场使空间电荷层变厚，不利于二极管导通，所以只有很小、在外电场作用下由少子产生的反响电流。此电流不随反向电流增大而增大，故称反向饱和电流，即IS

当反偏电压很大时，二极管就会被击穿，电流急剧增大，直到二极管烧毁。3.2.三极管

由于三极管是由两种载流子（电子、空穴）同时参与导电，所以又称为双极型晶体管（BJT）。名字：三极管双极型晶体管

BJT

三极管的结构及其符号：PNNNPPNPNNNPNPNP多发射极NPN晶体管EM模型：NN＋N＋NPPEB(E)C(B)S(C)BJT的四种工作状态（NPN管）：VBEVBCBEC0饱和区正向工作区反向工作区截止区四层结构NPN晶体管EM方程：：NPN管正向运行时共基极短路电流增益：NPN管反向运行时共基极短路电流增益：PNP管正向运行时共基极短路电流增益：PNP管反向运行时共基极短路电流增益:E、C、S极反向饱和电流与的关系：对于给定的BJT，为一常数令ISS＝0就可得出三层二结NPN晶体管的EM方程：可得：由EM模型可以得到BJT管的伏安特性曲线ICVCE饱和区放大区共射组态BJT管的输出特性曲线3.3.肖特基势垒二极管（SBD）、肖特基箝位晶体管（SCT）

铝和N型硅接触形成肖特基势垒，具有和PN结类似的整流特性，其V-I关系为：为反向饱和电流（1）SBD：教材P37SBD电路符号SBD和一般二极管的差别SBD的反向饱和电流IDS大SBD的正向导通压降小，约比PN结小0.1～0.2V正向温度系数不同SBD响应速度快（2）SCTBCE肖特基箝位晶体管（SCT）结构图SCT的特点制作工艺完全和TTL电路兼容使晶体管的VBC箝位在SBD的导通电压上，避免晶体管进入深饱和，电路速度加快

BJT管的伏安特性曲线ICVCE饱和区放大区共射组态BJT管的输出特性曲线3.4.MOS管简介Enhancement:增强型Depletion:耗尽型教材中的NMOS耗尽型：两个PN结：

1）N型漏极与P型衬底；

2）N型源极与P型衬底。同双极型晶体管中的PN结一样，在结周围由于载流子的扩散、漂移达到动态平衡，而产生了耗尽层。一个电容器结构：栅极与栅极下面的区域形成一个电容器，是MOS管的核心。MOSFET的特性伏安曲线漏－源极压降漏－源极电流3.5.无源元件：电阻、电容

集成电阻电容优点：集成电路中的电阻、电容制作工艺与NPN（或MOS管）兼容，与元件间的匹配及温度跟踪较好。缺点：（1）精度低（2）温度系数大（3）可制作的范围有限，不能太大也不能太小（4）占用芯片面积大，成本高。

3.5.1集成电阻器方块电阻：LWXjXj:扩散深度，L：长度，W：宽度：电阻率L＝W时：R与方块大小无关，所以有：教材P50双极集成电路中用的最多的是基区扩散电阻，其薄层电阻：阻值范围：其他电阻：1）发射区扩散电阻：低阻2）基区沟道电阻：高阻3）离子注入电阻：高精度电阻1.基区扩散电阻的结构：利用集成晶体管的基区扩散层（P型扩散区）做成P型扩散区阻值修正：1）端头修正2）拐角修正3）横向扩散修正4）薄层电阻值RS的修正2.基区扩散电阻最小条宽的设计1）由设计规则决定的最小条宽2）由工艺水平和电阻精度要求所决定的最小条宽3）由流经电阻最大电流决定的条宽3.其他常用的集成电阻器(P55)1）发射区扩散电阻2）隐埋层电阻3）基区沟道电阻4）外延层电阻（体电阻）5）离子注入电阻6）MOS集成电路中常用电阻(P59)

多晶硅电阻

MOS管形成电阻3.5.2集成电容器1.双极集成电路中的集成电容器1）反偏PN结电容(P61图3.16)如图3.16教材P60------++++++PN-+反偏PN结2）MOS电容器(P61)如图3.17所示特点：①－⑥2.MOS集成电路中的MOS电容器(P62)