半导体集成电路第三篇课件.doc

《半导体集成电路》 第三篇 模拟集成电路 一．概念 具有对各种模拟量进行处理功能的集成电路，包括了数字电路以外的所有集成电路。 二．分类 线性电路：输出信号与输入信号之间存在线性关系，如运放，电压跟随器，放大器等； 非线性电路：如乘法器，比较器，稳压器，调制器，对数放大器等。 三．特点 ①品种多，线路复杂，重复单元少； ②电源电压高（）； ③工艺复杂，精度要求高。 四．发展概况 继数字电路之后，六十年代中期迅速发展，开始称之为线性电路，后来出现了许多新品种，很多品种超出了线路电路的范畴，没有归属，于是，67年国际电器委员会（IEC）正式提出了模拟集成电路的概念。 下面以运放为例看发展： 四十年代：电子管运放，用于计算机中，进行各种数学运算，运放由此得名。 五十年代：双极型晶体管运放。 六十年代：单片集成运放出现。 原始型：为代表， 电阻负载； 第一代：为代表， 标志：采用横向PNP管； 七十年代：第二代：为代表（七十年代）， 标志：有源负载； 第三代：为代表（七十年代）， 标志：超管 八十年代：第四代：为代表（八十年代）， 标志：双极，MOS结合，斩波稳零技术，大规模。 第十一章 模拟集成电路中的特殊元件 预备知识：晶体管平面工艺 《半导体工艺原理》 晶体管直流特性 《晶体管原理》 §11-1 横向PNP管 一．典型结构及制造工艺 在n型外延层上，同时完成发射极和集电极的硼扩散，然后磷扩散给出基区引线孔，蒸铝，反刻。 由于射区注入的少子在基区中沿衬底平行的方向流动，故称横向管。 二．电学特性： 1．电流增益： 从横向PNP管的结构可知，横向PNP管存在两个寄生纵向PNP管。 当横向PNP管正向有源时 这样： 射区—基区—衬底寄生纵向PNP管也牌正向有源区； 集电区—基区—衬底寄生管反向截止，可忽略其影响。 由于存在寄生晶体管，严重地影响到横向PNP管的电学特性，这也是它质量不高的一个重要原因。下面我们采用简化模型分析横向PNP管的。 假设：①发射区均匀掺杂，则均匀注入； ②忽略n+埋层上推形成的漂移场影响； ③横向及纵向基区宽度均小于空穴扩散长度。 利用： 可得： 式中：为发射结横向面积； 为发射结纵向面积； ，为横（纵）向基区宽度； 为发射结纵向深； 为发射极引线孔到发射区边距离。 当纵向寄生管基区宽度时 按照一般的设计数据： Xjc（WeY ） 3 RO ~150 5 8 15 10 计算值 事实上，执照上述设计数据制作的横向管，其放大倍数要大得多，目前国内水平一般在50以内，国外约为100。 偏差的原因： ①：发射区非均匀注入； ②：n+ 隐埋层上推形成对少子（空穴）纵向的阻滞区，减小了寄生纵向管的作用。 提高的途径： ①：横向结面积尽可能大，纵向结面积尽可能小（取决于图形设计及结深设计）； ②：射区（硼）深扩散； ③：提高注入效率； ④：表面钝化（减小表面复合）； ⑤：间隙埋层，埋层为高复合区将增加纵向基区复合电流（使增大，下降），采用间隙埋层则是一种折衷的办法； ⑥：采用场助PNP管，外加电场，提高横向发射结有效偏置。 事实上，所有的这些措施都受到条件及其它元件特性的限制，在实际工艺中，往往是通过减少污染，表面吸杂与钝化，增大硼扩散结深来控制。 另外，由于横向PNP管基区浓度低，发生大注入效应（基区电导调制效应，大注入自建电场，有效基区扩展效应）的临界电流密度小，且由于纵向无效注入，使其电流容量较小。 一般采用最小设计尺寸时，认为有效电流不得超过。 2．击穿特性： PN结有三种地窖机构： 热击穿（漏电），隧道击穿（重掺杂），雪崩击穿（轻掺杂）； 对横向PNP管，属雪崩击穿。 由于基区电阻较大，雪崩击穿电压较高，当cb结反偏时，耗尽区扩展很严重，以至尚未达到cb结击穿电压，而ce结已穿通。 因此横向PNP管的击穿特性实际上是ce结的穿通电压。 采用突变结近似： 3．频率特性： 由于基区宽度大，渡越时间长，且存在寄生晶体管效应，频率特性较差，一般为几兆赫。