第二章集成電路中元器件與其寄生效應(yīng)課件

第二章集成電路中的元器件及其寄生效應(yīng)

元器件是組成集成電路的基本元素，其結(jié)構(gòu)和性能直接決定著集成電路的性能。2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/20231HITMicro-ElectronicsCenter§2-1集成電路中的NPN晶體管2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/20232HITMicro-ElectronicsCenter

思考題1.集成NPN管與分立NPN管有什么不同？2.有源寄生效應(yīng)有何影響？如何減小或消除？3.無源寄生有何影響？4.NPN管常用圖形各自的特點是什么？2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/20233HITMicro-ElectronicsCenter2.1.1集成NPN晶體管的結(jié)構(gòu)E(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNP平面圖P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEB剖面圖EBCSN+PNP等效結(jié)構(gòu)圖等效電路圖2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/20234HITMicro-ElectronicsCenter2.1.2集成NPN晶體管與分立NPN晶體管的差別P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEBE(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNP（1）四層三結(jié)結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了一個寄生的PNP晶體管（有源寄生）（2）電極都從上表面引出，造成電極的串聯(lián)電阻和電容增大（無源寄生）2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/20235HITMicro-ElectronicsCenter2.1.3集成NPN晶體管的有源寄生效應(yīng)

（1）NPN晶體管正向有源時P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEBE(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNPVBC<0VSC<0寄生PNP晶體管截止,等效為寄生電容E(N+)B(P)C(N)NPNCJS2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/20236HITMicro-ElectronicsCenter2.1.3集成NPN晶體管的有源寄生效應(yīng)

（2）NPN晶體管飽和或反向有源時P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEBE(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNPVBC>0VSC<0

寄生PNP晶體管正向有源導(dǎo)通。有電流流向襯底，影響NPN晶體管的正常工作。2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/20237HITMicro-ElectronicsCenter2.1.3集成NPN晶體管的有源寄生效應(yīng)

（3）減小有源寄生效應(yīng)的措施P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEB增加n+埋層①加大了寄生PNP晶體管的基區(qū)寬度②形成了寄生PNP晶體管基區(qū)減速場E(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNP2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/20238HITMicro-ElectronicsCenter2.1.4多結(jié)晶體管E-M模型

（1）定義及結(jié)電流EBCSN+PNPIEIBISICI1I2I3VBEVBCVSC端電流的定義結(jié)電流的定義結(jié)電壓的定義I1I2I3=1A0B1C0D1IES(eVBE/VT-1)ICS(eVBC/VT-1)ISS(eVSC/VT-1)

A=I1I2VBE=0VSC=0=-RB=I2I1VBC=0VSC=0=-FC=I2I3VBE=0VBC=0=-SRD=I3I2VBE=0VSC=0=-SF1-R0-F1-SR0-SF12005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/20239HITMicro-ElectronicsCenter2.1.4多結(jié)晶體管E-M模型

（2）直流模型表達式EBCSN+PNPIEIBISICI1I2I3VBEVBCVSCI1I2I3IEIBICIS=1001100-1-1001=

1-R01-F1-R-SRF-(1-SF)-(1-SR)0-SF1IES(eVBE/VT-1)ICS(eVBC/VT-1)ISS(eVSC/VT-1)2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202310HITMicro-ElectronicsCenter2.1.4多結(jié)晶體管E-M模型

（3）直流模型等效電路IEIBISICBECSIDEIDCIDSRIDCFIDESFIDCSRIDSrBrCSrSSrE2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202311HITMicro-ElectronicsCenter2.1.4多結(jié)晶體管E-M模型

（4）瞬態(tài)模型等效電路IEIBISICBECSIDEIDCIDSRIDCFIDESFIDCSRIDSrBrCSrSSrECCCECSCDCCDECDS2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202312HITMicro-ElectronicsCenter2.1.4多結(jié)晶體管E-M模型

（5）簡化模型等效電路（消除有源寄生）rBrCSrECCCECSCDCCDEIEIBICBECSIDEIDCRIDCFIDE2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202313HITMicro-ElectronicsCenter2.1.5集成NPN晶體管常用圖形及特點

（1）單基極條形結(jié)構(gòu)簡單、面積小寄生電容小電流容量小基極串聯(lián)電阻大集電極串聯(lián)電阻大P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEB2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202314HITMicro-ElectronicsCenter2.1.5集成NPN晶體管常用圖形及特點

（2）雙基極條形與單基極條形相比：基極串聯(lián)電阻小電流容量大面積大寄生電容大N–-epiP+PN+N+CEBP-SubP+BN+2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202315HITMicro-ElectronicsCenter2.1.5集成NPN晶體管常用圖形及特點

（3）雙基極雙集電極形與雙基極條形相比：集電極串聯(lián)電阻小面積大寄生電容大N–-epiP+PN+N+CEBP-SubP+BN+N+C2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202316HITMicro-ElectronicsCenter2.1.5集成NPN晶體管常用圖形及特點

（4）雙射極雙集電極形與雙基極雙集電極形相比：集電極串聯(lián)電阻小面積大寄生電容大N–-epiP+PN+N+CP-SubP+N+N+CBN+EE2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202317HITMicro-ElectronicsCenter2.1.5集成NPN晶體管常用圖形及特點

（5）馬蹄形電流容量大集電極串聯(lián)電阻小基極串聯(lián)電阻小面積大寄生電容大2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202318HITMicro-ElectronicsCenter2.1.5集成NPN晶體管常用圖形及特點

（6）梳狀2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202319HITMicro-ElectronicsCenter2.1.6習(xí)題分別畫出單基極條形和雙基極雙集電極結(jié)構(gòu)的NPN晶體管的平面圖（版圖）和剖面圖，并說明埋層的作用。2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202320HITMicro-ElectronicsCenter§2-2超增益晶體管2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202321HITMicro-ElectronicsCenter

思考題1.提高β值的途徑有哪些？2.超增益管BC結(jié)的偏壓為什么要限制在0伏左右？3.超增益管的發(fā)射區(qū)通常采用什么圖形？為什么？2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202322HITMicro-ElectronicsCenter2.2.1提高NPN管β值的途徑P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEB①提高發(fā)射區(qū)濃度（注意：重?fù)诫s理論）②降低基區(qū)濃度（同時采用高阻外延）③減薄基區(qū)寬度（加深發(fā)射結(jié)深度或減小集電結(jié)的深度）④選擇高壽命材料,改善表面態(tài)PN+N+PPN+N+2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202323HITMicro-ElectronicsCenter2.2.2擴散穿通型超增益管

1.雙磷擴散結(jié)構(gòu)N–-epiP+PN+N+CEBP-SubN–-epiP+P+PN+N+CEBN+N+普通NPN管超增益NPN管2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202324HITMicro-ElectronicsCenter2.2.2擴散穿通型超增益管

2.雙硼磷擴散結(jié)構(gòu)N–-epiP+PN+N+CEBP-SubN–-epiP+P+PN+N+CEB普通NPN管超增益NPN管P2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202325HITMicro-ElectronicsCenter2.2.2擴散穿通型超增益管

3.超增益管的特點P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEBPN+N+N+N+①采用圓形發(fā)射區(qū)（周界短,受表面態(tài)影響?。趹?yīng)用時BC結(jié)偏置限制在0V左右（減小基區(qū)寬度調(diào)制的影響）2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202326HITMicro-ElectronicsCenter§2-3橫向PNP管2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202327HITMicro-ElectronicsCenter

思考題1.設(shè)n+埋層對橫向PNP管有什么好處？2.可控增益橫向PNP管的原理是什么？3.橫向PNP管的發(fā)射區(qū)為何選用較小的面積？2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202328HITMicro-ElectronicsCenter2.3.1橫向PNP管的結(jié)構(gòu)和有源寄生效ECBB(N-)PNPE(P)C(P)P-subP-subEBCSPNPPN橫向PNP管正向有源、反向有源、飽和三種工作模式下，寄生的縱向PNP對其工作都有影響。2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202329HITMicro-ElectronicsCenter2.3.2橫向PNP管的電學(xué)特性ECB1.電流增益β低，改善措施：①降低e/b

②降低AEV/AEL③設(shè)n+埋層④改善表面態(tài)⑤減小WbL，加大Wbv

*β大電流特性差2.擊穿電壓低，由c-e穿通電壓決定，突變結(jié)近似：VPT=qNBWbL2/2osi3.特征頻率低(受WbL和寄生PNP影響)2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202330HITMicro-ElectronicsCenter2.3.3橫向PNP管常用圖形

1.單個橫向PNP管結(jié)構(gòu)簡單，面積小2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202331HITMicro-ElectronicsCenter2.3.3橫向PNP管常用圖形

2.多集電極橫向PNP管常用在比例電流源電路中C1C2C3C1C2BBEE2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202332HITMicro-ElectronicsCenter2.3.3橫向PNP管常用圖形

3.可控增益橫向PNP管多集電極結(jié)構(gòu)的應(yīng)用BECCBE(Co)IBOIBICOICICIBβ==ICIBO+ICO≈ICICO=ACACO2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202333HITMicro-ElectronicsCenter2.3.3橫向PNP管常用圖形

4.多發(fā)射極多集電極橫向PNP管基極等電位的橫向PNP管共用一個隔離區(qū)2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202334HITMicro-ElectronicsCenter2.3.3橫向PNP管常用圖形

5.大容量橫向PNP管2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202335HITMicro-ElectronicsCenter2.3.4習(xí)題1.畫出橫向PNP晶體管的平面圖（版圖）和剖面圖，并說明埋層的作用。2.橫向PNP晶體管在4種可能的偏置情況下，哪一種偏置會使寄生晶體管的影響最大？2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202336HITMicro-ElectronicsCenter§2-4襯底PNP管2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202337HITMicro-ElectronicsCenter

思考題1.襯底PNP管為什么不能加n+埋層？2.襯底PNP管的應(yīng)用有什么局限性？3.為什么襯底PNP管的基區(qū)表面要覆蓋大面積的n+擴散？2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202338HITMicro-ElectronicsCenter2.4.1襯底PNP管的結(jié)構(gòu)和特性1.縱向結(jié)構(gòu)2.襯底(集電極)電位固定(最低電位)3.不能加n+埋層最好增加p+埋層4.無有源寄生5.基區(qū)(外延層)上最好覆蓋n+擴散層P-SubN–-epiP+P+PECBN+2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202339HITMicro-ElectronicsCenter2.4.2襯底PNP管的常用圖形2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202340HITMicro-ElectronicsCenter§2-5集成二極管2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202341HITMicro-ElectronicsCenter思考題1.集成電路中的一般二極管構(gòu)成方式有哪些？各自有什么特點？2.隱埋齊納二極管的優(yōu)點是什么？2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202342HITMicro-ElectronicsCenter2.5.1一般集成二極管

1.B-C短接VF=VBEFBV=BVBECj

=Ce

Cp=Cs無寄生PNP管效應(yīng)P-SubN–-epiP+P+PN+N+EBC2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202343HITMicro-ElectronicsCenter2.5.1一般集成二極管

2.B-E短接VF=VBCFBV=BVBCCj=Cc

Cp=Cs有寄生PNP管效應(yīng)P-SubN–-epiP+P+PN+N+EBC2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202344HITMicro-ElectronicsCenter2.5.1一般集成二極管

3.C-E短接VF=VBCFBV=BVBECj=Cc+

Ce

Cp=Cs有寄生PNP管效應(yīng)P-SubN–-epiP+P+PN+N+EBC2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202345HITMicro-ElectronicsCenter2.5.1一般集成二極管

4.C開路VF=VBEFBV=BVBECj=Ce

Cp=Cc*Cs/(Cc+

Cs）有寄生PNP管P-SubN–-epiP+P+PN+N+EBC2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202346HITMicro-ElectronicsCenter2.5.1一般集成二極管

5.E開路VF=VBCFBV=BVBCCj=Cc

Cp=Cs有寄生PNP管P-SubN–-epiP+P+PN+N+EBC2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202347HITMicro-ElectronicsCenter2.5.1一般集成二極管

6.單獨BC結(jié)VF=VBCFBV=BVBCCj=Cc

Cp=Cs有寄生PNP管P-SubN–-epiP+P+PN+BC2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202348HITMicro-ElectronicsCenter2.5.1一般集成二極管

7.單獨SC結(jié)VF=VSCFBV=BVSCCj=Cs

Cp=0無寄生PNP管N–-epiP+P+N+CP-Sub2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202349HITMicro-ElectronicsCenter2.5.2隱埋齊納二極管

1.齊納二極管的特性要求①動態(tài)電阻小②擊穿電壓穩(wěn)定③噪聲小VIVBOP-SubN–-epiP+P+PN+N+EBC一般齊納二極管用BE結(jié)制作缺點：在表面處兩側(cè)濃度都最高，且易受表面影響2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202350HITMicro-ElectronicsCenter2.5.2隱埋齊納二極管

2.兩種隱埋齊納二極管P-SubN–-epiP+P+PEBCP+N+N+P-SubN–-epiP+P+PPN+P+2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202351HITMicro-ElectronicsCenter2.5.3習(xí)題1.一般集成二極管中，哪種速度最快？哪種耐壓最高？2.隱埋齊納二極管的特點是什么？為什么？2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202352HITMicro-ElectronicsCenter§2-6肖特基二極管及肖特基晶體管2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202353HITMicro-ElectronicsCenter

思考題1.肖特基二極管的特點是什么？2.肖特基晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理是什么？3.設(shè)計肖特基二極管和肖特基晶體管時應(yīng)注意什么？2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202354HITMicro-ElectronicsCenter2.6.1肖特基二極管（SDB）特點：1.正向壓降低

應(yīng)減小串聯(lián)電阻2.開關(guān)時間短

多子器件3.反向擊穿電壓高

應(yīng)減小邊緣電場（P型環(huán)、覆蓋電極）P-SubN–-epiP+P+N+ABABpp2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202355HITMicro-ElectronicsCenter2.6.2肖特基晶體管抗飽和原理1.npn管正向有源或截止時，SBD截止IBICISBDIbIcP-SubN–-epiP+P+PN+N+EBC2.npn管反向有源或飽和時，SBD導(dǎo)通，對IB分流，VBC被箝位βIBS=ICβ(IB-ISBD）S’=IC+ISBDβIbIc=2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202356HITMicro-ElectronicsCenter2.6.3肖特基晶體管常用圖形示意2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202357HITMicro-ElectronicsCenter§2-7MOS晶體管及其寄生效應(yīng)2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202358HITMicro-ElectronicsCenter

思考題MOS晶體管溝道長度和寬度是如何定義的?2.寄生MOS晶體管如何形成的？它的危害是什么？如何消除？3.閂鎖效應(yīng)是如何產(chǎn)生的？有何危害？如何避免發(fā)生？2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202359HITMicro-ElectronicsCenter2.7.1MOS晶體管常用圖形WLLWLWLwW=3w2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202360HITMicro-ElectronicsCenter2.7.2場區(qū)寄生MOS管（場開啟MOS管）1.加厚場氧化層厚度（采用等平面工藝，減小表面臺階）2.采用場區(qū)注入，提高襯底表面濃度3.控制有源區(qū)間距2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202361HITMicro-ElectronicsCenter2.7.3寄生雙極晶體管消除寄生雙極晶體管影響的措施：P襯底接最低電位N襯底接最高電位使MOS管源漏區(qū)與襯底形成的二極管不處于正偏狀態(tài)N-subppppP-subnnnn2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202362HITMicro-ElectronicsCenter2.7.4寄生可控硅—閂鎖效應(yīng)

1.寄生可控硅結(jié)構(gòu)VHIHIV0VDDGNDVoViP-SubN-阱p+p+p+n+n+n+RWRSRSRWIRSIRWVDDGNDVON-P-VO必要條件：1.兩個發(fā)射結(jié)均正偏2.βnpn*βpnp>13.IPower>IH寄生可控硅一旦被觸發(fā)，電流巨增，將燒毀芯片。2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202363HITMicro-ElectronicsCenter2.7.4寄生可控硅—閂鎖效應(yīng)

2.消除閂鎖效應(yīng)措施—版圖設(shè)計RSRWIRSIRWVDDGNDVON-P-VO（1）減小RS和RW

：均勻且充分設(shè)計阱和襯底的電源和地的歐姆接觸，并用金屬線連接，必要時采用環(huán)結(jié)構(gòu)。VDDGNDVoViP-SubN-阱p+p+p+n+n+n+RWRS2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202364HITMicro-ElectronicsCenter2.7.4寄生可控硅—閂鎖效應(yīng)

2.消除閂鎖效應(yīng)措施—版圖設(shè)計RSRWIRSIRWVDDGNDVON-P-VO（2）減小βnpn和βpnp

：加大MOS管源漏區(qū)距阱邊界的距離，必要時采用偽收集極結(jié)構(gòu)。VDDGNDVoViRSViP-SubN-阱p+p+p+n+n+n+RWn+p+n+N-阱2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202365HITMicro-ElectronicsCenter2.7.4寄生可控硅—閂鎖效應(yīng)

2.消除閂鎖效應(yīng)措施—工藝、測試、應(yīng)用（1）增加阱的結(jié)深（2）采用外延襯底（3）采用外延襯底時，同時可采用埋層方法，增加阱的結(jié)深，型層減速場。（4）電源退耦，穩(wěn)定電源（5）輸入信號不能過高（6）負(fù)載電容不易過大（7）電源限流VDDGNDVoViRSViP-SubN-阱p+p+p+n+n+n+RWn+p+n+N-阱2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202366HITMicro-ElectronicsCenter2.7.5習(xí)題1.說明CMOS集成電路中的閂鎖效應(yīng)和抗閂鎖措施。2.說明消除寄生MOS管影響的措施。2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202367HITMicro-ElectronicsCenter§2-8電容器2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202368HITMicro-ElectronicsCenter

思考題1.形成電容的方式有哪些？各自的特點是什么？2.各種結(jié)構(gòu)電容的電容值如何計算？3.設(shè)計電容時應(yīng)該考慮哪些因素？2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202369HITMicro-ElectronicsCenter2.8.1PN結(jié)電容N–-epiP+P+PN+BAP-SubN+CjCjsBAGNDRbRcsP+P+P+N+BAP-SubN+Cj1CjsBAGNDRbRcsCj2Re應(yīng)考慮：1.單位面積電容容量2.電極的串聯(lián)電阻3.工作電壓及電壓極性2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202370HITMicro-ElectronicsCenter2.8.2MOS電容N–-epiP+P+N+P-SubBABACMOSCJSDSCBACMOSCDP-SubBAn+反型層或埋n+NMOS,PMOSCMOS=sio2

otoxA2005年7月來逢昌3/17/20203/18/20203/18/20203/19/20207/23/202371HITMicro