半導(dǎo)體集成電路-04集成電路中的晶體管及其寄生效應(yīng)

半導(dǎo)體集成電路2023/2/62第2章集成電路中的晶體管及其寄生效應(yīng)雙極晶體管的單管結(jié)構(gòu)及工作原理理想本征雙極晶體管的EM模型集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng)集成雙極晶體管的無源寄生效應(yīng)MOS晶體管的單管結(jié)構(gòu)及工作原理MOS集成電路中的有源寄生效應(yīng)2023/2/632.1雙極晶體管的單管結(jié)構(gòu)及工作原理雙極器件：兩種載流子（電子和空穴）同時(shí)參與導(dǎo)電發(fā)射區(qū)N+集電區(qū)N基區(qū)P發(fā)射結(jié)收集結(jié)發(fā)射極集電極基極BECnpN+結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1.發(fā)射區(qū)摻雜濃度最大，基區(qū)次之，集電極最小

2.基區(qū)寬度很窄2023/2/64NNPECB當(dāng)發(fā)射結(jié)正偏（VBE>0)，集電結(jié)反偏（VBC<0)時(shí)，為正向工作區(qū)。電子流空穴流Ie=Ic+Ib令則共基極短路電流增益共射極短路電流增益2023/2/65正向工作區(qū)發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射極發(fā)射電子，在基區(qū)中擴(kuò)散前進(jìn)，大部分被集電極反偏結(jié)收集：(接近于1）具有電流放大作用：

2023/2/66當(dāng)發(fā)射結(jié)正偏（VBE>0)，集電結(jié)也正偏（VBC>0)時(shí)(但注意，VCE仍大于0)，為飽和工作區(qū)。NNPECB1.發(fā)射結(jié)正偏，向基區(qū)注入電子，集電結(jié)也正偏，也向基區(qū)注入電子（遠(yuǎn)小于發(fā)射區(qū)注入的電子濃度），基區(qū)電荷明顯增加（存在少子存儲效應(yīng)），從發(fā)射極到集電極仍存在電子擴(kuò)散電流，但明顯下降。2.不再存在象正向工作區(qū)一樣的電流放大作用，即不再成立。3.對應(yīng)飽和條件的VCE值，稱為飽和電壓VCES，其值約為0.3V，深飽和時(shí)VCES達(dá)0.1～0.2V。

2023/2/67當(dāng)VBC>0

，VBE<0時(shí)，為反向工作區(qū)。工作原理類似于正向工作區(qū)，但是由于集電區(qū)的摻雜濃度低，因此其發(fā)射效率低，

很小（約0.02）。當(dāng)發(fā)射結(jié)反偏（VBE<0),集電結(jié)也反偏（VBC<0)時(shí)，為截止區(qū)。NNPECB反向工作區(qū)2023/2/68共發(fā)射極的直流特性曲線三個(gè)區(qū)域：飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)2023/2/692.2理想本征集成雙極晶體管的EM模型P-SiN-SiIVA:結(jié)面積,D:擴(kuò)散系數(shù),L:擴(kuò)散長度,pn0,np0:平衡少子壽命熱電壓.T=300K,約為26mv正方向VI(mA)ISO

一結(jié)兩層二極管(單結(jié)晶體管)2023/2/610+-VD正向偏置-+反向偏置二極管的等效電路模型2023/2/611

兩結(jié)三層三極管(雙結(jié)晶體管)NPNBECIEICIBIDEIDCV1V2理想本征集成雙極晶體管的EM模型假設(shè)p區(qū)很寬，忽略兩個(gè)PN結(jié)的相互作用，則：2023/2/612實(shí)際雙極晶體管的結(jié)構(gòu)由兩個(gè)相距很近的PN結(jié)組成：基區(qū)寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長度，相鄰PN結(jié)之間存在著相互作用發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)收集結(jié)發(fā)射極集電極基極2023/2/613

兩結(jié)三層三極管(雙結(jié)晶體管)理想本征集成雙極晶體管的EM模型NPNBECIEICIBI1I2V1V2NPN管反向運(yùn)用時(shí)共基極短路電流增益NPN管正向運(yùn)用時(shí)共基極短路電流增益2023/2/614BJT的三種組態(tài)

2023/2/615

三結(jié)四層結(jié)構(gòu)(多結(jié)晶體管)ppnnIEEBCSIBICISI1I2I3V1V2V3理想本征集成雙極晶體管的EM模型2023/2/616

三結(jié)四層結(jié)構(gòu)(多結(jié)晶體管)理想本征集成雙極晶體管的EM模型根據(jù)基爾霍夫定律，有：ppnnIEECSIBICISI1I2I3V1V2V32023/2/617

三結(jié)四層結(jié)構(gòu)(多結(jié)晶體管)理想本征集成雙極晶體管的EM模型理想本征集成雙極晶體管的EM模型2023/2/618§2.3集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng)C(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p)

雙極晶體管的四種工作狀態(tài)VBEVBC飽和區(qū)反向工作區(qū)截止區(qū)正向工作區(qū)(正偏)(反偏)(正偏)(反偏)ppnnIEECSIBICISI1I2I3V1V2V32023/2/619VBEVBC飽和區(qū)反向工作區(qū)截止區(qū)正向工作區(qū)(正偏)(反偏)(正偏)(反偏)集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng)C(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p)NPN管工作于正向工作區(qū)和截止區(qū)的情況VBC<0npn管VEB_pnp<0VS=0VCB_pnp<0截止正向工作區(qū)和截止區(qū)寄生晶體管的影響可以忽略pnp管2023/2/620VEB_pnp=VBC_npn>0VS=0VCB_pnp<0pnp管VBC>0npn管VBE<0集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng)C(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p)NPN管工作于反向工作區(qū)的情況正向工作區(qū)反向工作區(qū)寄生晶體管對電路產(chǎn)生影響VBEVBC飽和區(qū)反向工作區(qū)截止區(qū)正向工作區(qū)(正偏)(反偏)(正偏)(反偏)2023/2/621集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng)NPN管工作于反向工作區(qū)的情況幾個(gè)假設(shè):晶體管參數(shù)EM模型簡化2023/2/622集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng)NPN管工作于反向工作區(qū)的EM方程(VBE(V1)<0,VBC(V2)>0)2023/2/623集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng)NPN管工作于反向工作區(qū)的EM方程減小了集電極電流作為無用電流流入襯底采用埋層和摻金工藝2023/2/624VEB_pnp=VBC_npn>0VS=0VCB_pnp<0pnp管VBC>0npn管飽和工作區(qū)VBE>0集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng)C(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p)NPN管工作于飽和工作區(qū)的情況正向工作區(qū)寄生晶體管對電路產(chǎn)生影響VBEVBC飽和區(qū)反向工作區(qū)截止區(qū)正向工作區(qū)(正偏)(反偏)(正偏)(反偏)2023/2/625集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng)NPN管工作于飽和工作區(qū)的EM方程2023/2/626§2.4集成雙極晶體管的無源寄生效應(yīng)P+P+N+PN+-BLN-epiCBEN+2023/2/627集成雙極晶體管的無源寄生效應(yīng)rES=rE,c+rE,b

發(fā)射極串聯(lián)電阻rESrE,crE,b發(fā)射區(qū)為N+擴(kuò)散,雜質(zhì)濃度在1020cm-3以上,所以發(fā)射區(qū)的體電阻很小,串聯(lián)電阻主要由金屬與硅的接觸電阻決定SE:發(fā)射極接觸孔的面積RC:為硅與發(fā)射極金屬的歐姆接觸系數(shù)E接觸電阻體電阻2023/2/628rCS=rC1+rC2+rC3

集電極串聯(lián)電阻rCS集成雙極晶體管的無源寄生效應(yīng)rC1LWTaWbL上底為有效集電結(jié)面積SC,eff=SE并作以下近似:1.上底、下底各為等位面；2.錐體內(nèi)的電流只在垂直方向流動；3.在上下面的電流是均勻的。EC2023/2/629rCS=rC1+rC2+rC3

集電極串聯(lián)電阻rCS集成雙極晶體管的無源寄生效應(yīng)rC2LE-CEC2023/2/630rCS=rC1+rC2+rC3

集電極串聯(lián)電阻rCS集成雙極晶體管的無源寄生效應(yīng)LWTaWbLrC3EC2023/2/631rCS=rC1+rC2+rC3

集電極串聯(lián)電阻rCS集成雙極晶體管的無源寄生效應(yīng)rC3rC2rC1ECP+P+N+-BLN-epiCN+PBEN+2023/2/632rB=rB1+rB2+rB3

基區(qū)電阻rB集成雙極晶體管的無源寄生效應(yīng)EBrB3rB2rB1發(fā)射區(qū)擴(kuò)散層下的基區(qū)電阻發(fā)射區(qū)擴(kuò)散層邊緣到基極接觸孔邊緣的外基區(qū)電阻基極金屬和硅的接觸電阻以及基極接觸孔下的基區(qū)電阻2023/2/633§2.5MOSFET的單管結(jié)構(gòu)及工作原理單極器件：只有一種載流子參與導(dǎo)電n+n+p型硅基板柵極絕緣層（SiO2）半導(dǎo)體基板漏極源極2023/2/634VG=0VS=0VD=0柵極電壓為零時(shí)，存儲在源漏極中的電子互相隔離2023/2/635VGS>0時(shí)，溝道出現(xiàn)耗盡區(qū)，至VGS>VTH時(shí)，溝道反型，形成了連接源漏的通路。++++++++VGVD電流SVDS較小時(shí)，溝道中任何一處電壓的柵－溝道電壓都大于閾值電壓，隨著VDS的增大，電場強(qiáng)度增大，電子漂移速度增大，因此電流隨著VDS的增大而增大。（線性區(qū)，非飽和區(qū)）隨著VDS進(jìn)一步增大至VDS>=VGS-VTH(即VGD<VTH)時(shí)，靠近漏端邊緣的溝道出現(xiàn)夾斷，晶體管進(jìn)入飽和區(qū)。隨著VDS的增大，夾斷區(qū)向源區(qū)移動，電壓的增加主要降落在夾斷點(diǎn)至漏端邊緣的高阻區(qū)，溝道電子被橫向強(qiáng)電場拉至漏極，漏源電流基本上不隨VDS的增大而變化。2023/2/636VDID非飽和區(qū)飽和區(qū)VGN溝MOSFET的輸出特性曲線2023/2/637場區(qū)寄生MOSFET寄生雙極晶體管寄生PNPN效應(yīng)（閂鎖（Latchup）效應(yīng)）§2.6MOS集成電路中的有源寄生效應(yīng)2023/2/638場區(qū)寄生MOSFETn+psubstraten+Ln+psubstraten+L措施：1.加厚場氧化層的厚度

2.增加場區(qū)注入工序2023/2/639寄生雙極晶體管n+psubstraten+Ln+psubstraten+L防止措施：1.增大寄生晶體管“基區(qū)寬度”

2.P型襯底接地或負(fù)電位2023/2/640寄生