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BiCMOS电路分析和设计实例
BiCMOS电路分析和设计实例
学号 姓名:韩旭
摘要:
双极型兼容CMOS(BICMOS)技术是双极型技术与CMOS技术相结合的产物。双极型技术可以确保高速的开关和I/O速度,高驱动电容以及优越的噪声性能。与此同时,CMOS技术则能够保证较低的功耗,高噪声容限和高封装密度等特性。因此BICMOS技术无疑称得上是“两个领域中最杰出成员”的联姻。实现了同时包揽双极型技术和CMOS技术所独有的各项优点。本文选取三个实例,以综述的形式说明BICMOS的结构特点,以及应用的特性。一.基于SPICE模型的“最差类型”双极晶体管模型在BICMOS中的应用,示例性的讲解了BICMOS的电路级建模要求。二.介绍一种使用BICMOS技术的开关电流电路,用于说明BICMOS在实现低供电电压,高速器件方面的优势。三 介绍一种高性能的BICMOS输出缓冲器,用于说明BICMOS技术在高速,高分辨率,高线性特性方面的应用。
关键词:
BICMOS 建模 高性能
正文:
BICMOS电路中的双极型晶体管的电路建模
简介
我们在SPICE中以一种支电路的形式建构一种BICMOS中的双极晶体管模型,这个模型是基于“最差类型”而建构的。所谓“最差类型”就是指在没有埋层或外延层的CMOS井中形成双极晶体管的集电极。这种模型可以被用作DC仿真,并且包含了大量与晶体管相关的寄生参数。
这种“最差类型”的晶体管具有很大的非线性集电极电阻,并且会产生一个高增益的衬底寄生晶体管,这个寄生晶体管在特定的工作条件下将产生很大的衬底电流。
我们建构这个模型的过程在于着重分析非线性集电极电阻和寄生晶体管的建模过程,并分析模型的仿真结果。
(二)“最差类型”双极晶体管结构分析
“最差类型”的双极晶体管结构如图(1)所示:
图(1):BICMOS工艺中形成的纵向NPN双极晶体管示意图
由图(1)可以看出,这个纵向的NPN管形成于N井中。其内部基极由P型注入形成。N+注入形成集电极的连接和发射极。P+注入形成基极连接。
这种结构的双极晶体管与普通工艺制作的双极管的区别在于缺少一个集电极衬底埋层。由此产生的不良后果有:一.集电极电阻显著增加。二.因为井掺杂浓度的影响,纵向的寄生PNP管将具有很高的增益,β>100。
图(2)是这个纵向晶体管的Gummel图以及正偏特性:
图(2):(a)CMOS井中的NPN双极晶体管Gummel图
(b) 正偏条件下,图(3)结构模型的预测结构和实际测量结构的比较
由图(2)(a)可分析出,对于纵向NPN晶体管,当E-B结正偏,B-C结反偏时,处于正向工作区。此时,寄生PNP管的两结都处于反偏,因而不产生衬底电流。此时的性能与普通晶体管一致。如果NPN管的Vbe增大,那么通过集电极电阻的电流将增加,这些电流将导致集电极末端(N+)与图(1)所示X点间产生电位差。当集电极电流继续增大时,将使X点的电位下降到足以造成NPN管B-C结正偏,而进入准饱和状态。我们可以看出NPN管的B-C结与寄生PNP管的E-B结是共用的。由此NPN管的准饱和状态将使寄生PNP管处于正向工作区,于是衬底电流随之增加。衬底电流随Vbe的增加可从图(2)(a)中明显看出。如果NPN管处于反向工作区,那么寄生PNP管将完全开启,由此产生的衬底电流将产生不可预计不良后果。
(三)“最差类型”双极晶体管电路级建模
正向偏至区和饱和区是晶体管较频繁应用的工作状态,在这样的状态下,集电极电阻和寄生晶体管对电路仿真的影响十分客观,建模时必须予以考虑。其中首要要考虑寄生晶体管的影响。
NPN管的集电极电流方程为:
式(1)中的前两项(i),(ii)是穿越NPN管基极的净电子电流。(iii)(iv)两项是饱和状态下基极注入到集电极的电流。(iii)(iv)两项中的电流是空穴流。这些空穴在NPN管的集电极是少子,而NPN管的集电极和寄生PNP管的基极是重合的,因而这些空穴以(1-1/βfpnp)的增益被发射到衬底。这里1/βfpnp是寄生PNP管基极被复合的空穴分量。因此只有空穴中的一部分分量(1/βfpnp分量)形成NPN管的集电极电流,由此,集电极电流 Ic和衬底电流Isub的方程可表达为:
我们用两个PNP管通过给予适当的参数来代替式(1)中的(iii)(iv)两项来实现矫正后的集电极和衬底电流方程式(2)式(3)。给定参数的PNP管应用于模型后的工艺剖面图如图(3)所示:
图(3):N井CMOS工艺中NPN晶体管完整的SPICE模型
PNP晶体管的集电极和衬底相连,由此使NPN管集电极的空穴注入到衬底。我们在每个晶体管间分配以下S
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