集成电路中的晶体管及其寄生资料.ppt

第2章 集成电路中的晶体管及其寄生效应 信息工程学院 李薇薇 liweiwei@hebut.edu.cn 2.1理想本征集成双极晶体管的埃伯斯-莫尔模型 一、要点 通过隔离把硅片分成一定数目的相互绝缘的隔离区； 在各个隔离区制作晶体管，电阻等元件； 制作互连线，把各个元件按照一定功能连接起来。 多维效应——集成电路中的双极晶体管为四层三结结构，各电极均从上面引出，而且各结面积不同。 二、寄生晶体管作用分析 （1）NPN工作于饱和区或反向工作区（数字集成电路）： VBC－NPN0，VBE－PNP0，PNP管的发射结正偏，PNP管处于正向工作状态。 （2）NPN处于截止区或正向工作区（模拟集成电路）： VBC—NPN0，VBE－PNP0，PNP管的发射结反偏，寄生PNP管截止。 三、EM模型 2.2集成双极晶体管的有源寄生效应 假定隔离结始终处于反偏，并取晶体管的参数如下； 2.2.1 NPN管工作于正向工作区和截止区的情况 NPN管工作于正向工作区和截止区时，NPN管的BC结压降VBC-NPN 0 ，亦即PNP管的BE结压降VBE-PNP 0 ； 因为PNP管的BC结压降VBC-PNP =VSC 0 ，所以寄生PNP管截止。此时IS’ = -ISS ≈ 0 。 寄生PNP管的存在对NPN管的电流基本上没有影响，只是增加了IB及IC中的反向漏电．同时增加一项衬底漏电流IS’ 。 在模拟集成电路中，NPN管一般工作在正向工作区，所以寄生PNP管的影响可以忽略。 2.2.2 NPN管工作于反向工作区的情况 NPN管工作于反向工作区时各结的电压情况如下： 对于NPN管，VBE-NPN 0 VBC-NPN 0 ； 对于PNP管，VBE-PNP = VBC-NPN 0 ，VBC-PNP =VSC 0 此时寄生PNP管工作在正向工作区。 减少PNP的影响——减少寄生PNP管正向运用时的共基极短路电流增益 ——采用掺金工艺和埋层工艺。 掺金——增加大量复合中心而使少子寿命 大大下降， 埋层——使寄生PNP管的基区宽度WB大大增加，且埋层上扩散在寄生PNP管基区形成的减速场，使少子的基区渡越时间 增加。 2.2.3 NPN管工作于饱和区的情况 数字集成电路中的NPN管工作在饱和区。 各结电压情况如下： 2.3集成双极晶体管的无源寄生效应 无源寄生效应——集成集体管中存在着电荷存储效应，Cj，CD和从晶体管有效基区到晶体管各引出端之间的欧姆体电阻。 2.3.1 集成NPN晶体管中的寄生电阻 1、发射极串连电阻rES ——发射区体电阻； ——发射极金属和硅的接触电阻 发射区体电阻很小（发射区为N＋扩散区）主要考虑 计算公式： SE——发射极接触孔面积；RC——硅与发射极金属的欧姆接触系数（可查表） 2、集电极串联电阻rCS 集成晶体管的集电极串联电阻rCS大于分立晶体管的集电极串联电阻（因为集成晶体管的集电极是从表面引出的） 这样结构的电阻可用公式求得： 公式的适用范围： 不能再认为电流再锥体内是垂直流动的，此时再计算rC1时，应该 来代替实际中的bL和aW，不然所求得的电阻值会偏低。 平行锥体的厚度T可用下式来近似估算： 3、基区电阻rB 从基极接触孔到有效基区之间存在相当大的串联电阻； 集成晶体管的各电极都由表面引出，所以其基极电流平行于发射结和集电结之间，是横向流动的； 由于rB的存在，在大注人情况下会引起发射极电流的集边效应，而且影响模拟电路中的高额增益和噪声性能。 计算的困难： 晶体管的基区宽度很小； 影响rB1的因素很多 是晶体管的有源区 2.3.2 集成NPN管中的寄生电容 分类： 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Cpad，一般情况下Cpad很小，可忽略不计。 1、PN结势垒电容Cj——利用劳伦斯——沃纳曲线； 梅耶等针对典型的集成电路工艺，计算了各种结的零偏单位面积结电容，可以用来快速计算各类集成电路PN结势垒电容。 2、扩散电容CD——反映晶体管内可动少子存储电荷与所加偏压的关系PN结反偏少子耗尽，CD不予考虑，只考虑正偏的CD 正向工作：只需考虑CDE 反向工作：只需考虑CDC 饱和工作：CDE、CDC都要考虑。 2.4集成双极晶体管的无源寄生效应 双极集成电路中的基本器件是NPN管，但在模拟电路中也往往需要PNP管，如运算放