第2章集成电路中的晶体管及其寄生效应(半导体集成电路共14章)课件.ppt

1、第第2章章 集成电路中的晶体管及其寄集成电路中的晶体管及其寄生效应生效应双极晶体管的单管结构及工作原理双极晶体管的单管结构及工作原理理想本征双极晶体管的理想本征双极晶体管的EM模型模型集成双极晶体管的有源寄生效应集成双极晶体管的有源寄生效应集成双极晶体管的无源寄生效应集成双极晶体管的无源寄生效应MOS晶体管的单管结构及工作原理晶体管的单管结构及工作原理MOS集成电路中的有源寄生效应集成电路中的有源寄生效应2022-11-1822.1双极晶体管的单管结构及工作原理双极晶体管的单管结构及工作原理双极器件：两种载流子（电子和空穴）同时参与导电双极器件：两种载流子（电子和空穴）同时参与导电2022-1

2、1-183发射区发射区N+集电区集电区 N基区基区P发发射射结结收收集集结结发发射射极极集集电电极极基极基极BECnpN+结构特点：结构特点：1.发射区掺杂浓度最大，基区次之，集电极最小发射区掺杂浓度最大，基区次之，集电极最小 2.基区宽度很窄基区宽度很窄2022-11-184NNPECB当发射结正偏（当发射结正偏（VBE0)，集电结反偏（，集电结反偏（VBC0)，集电结也正偏（，集电结也正偏（VBC0)时时(但注意，但注意，VCE仍仍大于大于0)，为，为饱和工作区饱和工作区。NNPECBbcII当当VBC0，VBE0时时，为反向工作区。工作原理，为反向工作区。工作原理类似于正向工作区，但是由

3、于集电区的掺杂浓类似于正向工作区，但是由于集电区的掺杂浓度低，因此其发射效率低，度低，因此其发射效率低，很小（约很小（约0.02）。）。2022-11-187当发射结反偏（当发射结反偏（VBE0),集电结也反偏（集电结也反偏（VBC0)时，为截止区。时，为截止区。RNNPECB反向工作区反向工作区2022-11-1882022-11-1892.2 2.2 理想本征集成双极晶体管的理想本征集成双极晶体管的EM模型模型P-SiN-SiIV)1(0TVVeIIs)(000PnPnPnSLPDLnDAqIA:结面积结面积,D:扩散系数扩散系数,L:扩散长度扩散长度,pn0,np0:平衡少子寿命平衡少子

4、寿命热电压热电压.T=300K,约为约为26mv正方向正方向VI(mA)ISO)1(TVVeIIso 一结两层二极管一结两层二极管(单结晶体管单结晶体管)2022-11-1810)1(TVDVeIIso+-VD正向偏置正向偏置-+反向偏置反向偏置二极管的等效电路模型二极管的等效电路模型2022-11-1811 两结三层三极管两结三层三极管(双结晶体管双结晶体管)(11TVVeIIESDE)(12TVVeIICSDCNPNBECIEICIBIDEIDCV1V2理想本征集成双极晶体管的理想本征集成双极晶体管的EM模型模型假设假设p区很宽，忽略两个区很宽，忽略两个PN结的相互作用，则：结的相互作用，

5、则：2022-11-1812发射区发射区集电区集电区基区基区发发射射结结收收集集结结发发射射极极集集电电极极基极基极2022-11-1813 两结三层三极管两结三层三极管(双结晶体管双结晶体管)1()1()1()1(212121TVVTVVTVVTVVeIeBIIeAIeIICSESCSESFVECVRVCEVIIIIBIIIIA020212010121理想本征集成双极晶体管的理想本征集成双极晶体管的EM模型模型NPNBECIEICIBI1I2V1V2NPN管反向运用时管反向运用时共基极短路电流增共基极短路电流增益益NPN管正向运用时管正向运用时共基极短路电流增共基极短路电流增益益2022-1

6、1-1814BJT的三种组态的三种组态 2022-11-1815 三结四层结构三结四层结构(多结晶体管多结晶体管)1()1()1()1()1()1()1(3232121321TVVTVVTVVTVVTVVTVVTVVeIedIIecIeIebIIeaIeIISSCSSSCSESCSESSFSRFRVVIIdVVIIcVVIIbVVIIa000000003223213232123121ppnnIEEBCSIBICISI1I2I3V1V2V3理想本征集成双极晶体管的理想本征集成双极晶体管的EM模型模型2022-11-1816 三结四层结构三结四层结构(多结晶体管多结晶体管)1()1()1(1010

7、1321321TVVTVVTVVeIeIeIIIISSCSESRRRR321110001100011IIIIIIISCBE理想本征集成双极晶体管的理想本征集成双极晶体管的EM模型模型根据基尔霍夫定律，有：根据基尔霍夫定律，有：ppnnIEECSIBICISI1I2I3V1V2V32022-11-1817 三结四层结构三结四层结构(多结晶体管多结晶体管)1()1()1(1)1(0)1(1011321TVVTVVTVVeIeIeIIIIISSCSESSRSRSFSFRRFFSCBE理想本征集成双极晶体管的理想本征集成双极晶体管的EM模型模型理想本征集成双极晶体管的理想本征集成双极晶体管的EM模型模

8、型2022-11-18182.3 2.3 集成双极晶体管的有源寄生效应集成双极晶体管的有源寄生效应C(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p)双极晶体管的四种工作状态双极晶体管的四种工作状态VBEVBC饱和区饱和区反向工作区反向工作区截止区截止区正向工作区正向工作区(正偏正偏)(反偏反偏)(正偏正偏)(反偏反偏)ppnnIEECSIBICISI1I2I3V1V2V32022-11-1819VBEVBC饱和区饱和区反向工作区反向工作区截止区截止区正向工作区正向工作区(正偏正偏)(反偏反偏)(正偏正偏)(反偏反偏)集成双极晶体管的有源寄生效应集成双极晶体管的有源寄生效应C(n)B(p)E(n+)

9、npnpnpS(p)NPN管工作于正向工作区和截止区的情况管工作于正向工作区和截止区的情况VBC0npn管管VEB_pnp0VS=0VCB_pnp0VS=0VCB_pnp0npn管管VBE0集成双极晶体管的有源寄生效应集成双极晶体管的有源寄生效应C(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p)NPN管工作于反向工作区的情况管工作于反向工作区的情况正向工作区正向工作区反向工作区反向工作区寄生晶体管对电路产生影响寄生晶体管对电路产生影响VBEVBC饱和区饱和区反向工作区反向工作区截止区截止区正向工作区正向工作区(正偏正偏)(反偏反偏)(正偏正偏)(反偏反偏)2022-11-1821集成双极晶体管的有

10、源寄生效应集成双极晶体管的有源寄生效应 NPN管工作于反向工作区的情况管工作于反向工作区的情况几个假设几个假设:0)1(,0)(1)1(,0)1(,0/3/SSVVSSSCRVVFIeIVVeVPNeeVPNTSCTVRVTFTVFV结反偏工作时，结正偏工作时，10.01070.01020.01099.0131516SRSSSFCSRESFAIAIAI晶体管参数晶体管参数EM模型简化模型简化2022-11-1822集成双极晶体管的有源寄生效应集成双极晶体管的有源寄生效应 NPN管工作于反向工作区的管工作于反向工作区的EM方程方程(VBE(V1)0)SSCSESSRSRSFSFRRFFSCBEI

11、eIIIIIITVBCV1)1(0)1(1011)1()1()1(1)1(0)1(1011321TVVTVVTVVeIeIeIIIIISSCSESSRSRSFSFRRFFSCBE2022-11-1823集成双极晶体管的有源寄生效应集成双极晶体管的有源寄生效应 NPN管工作于反向工作区的管工作于反向工作区的EM方程方程RSFCSSFSRSFCSSFCRRCSRBRRCSREIeIIIeIIIeIIIeIITVBCVTVBCVTVBCVTVBCV)1()1()1()1(减小了集电极电流减小了集电极电流作为无用电流流入衬底作为无用电流流入衬底SF减小SSCSESSRSRSFSFRRFFSCBEIeI

12、IIIIITVBCV1)1(0)1(1011采用埋层和掺金工艺采用埋层和掺金工艺2022-11-1824VEB_pnp=VBC_npn0VS=0VCB_pnp0npn管管饱和工作区饱和工作区VBE0集成双极晶体管的有源寄生效应集成双极晶体管的有源寄生效应C(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p)NPN管工作于饱和工作区的情况管工作于饱和工作区的情况正向工作区正向工作区寄生晶体管对电路产生影响寄生晶体管对电路产生影响VBEVBC饱和区饱和区反向工作区反向工作区截止区截止区正向工作区正向工作区(正偏正偏)(反偏反偏)(正偏正偏)(反偏反偏)2022-11-1825集成双极晶体管的有源寄生效应集

13、成双极晶体管的有源寄生效应 NPN管工作于饱和工作区的管工作于饱和工作区的EM方程方程RSFSRSFFFCRRFFBRRFEIIIIIIIIIII)1()1()1(2022-11-18262.4 2.4 集成双极晶体管的无源寄生效应集成双极晶体管的无源寄生效应P+P+N+PN+-BLN-epiCBEN+2022-11-1827集成双极晶体管的无源寄生效应集成双极晶体管的无源寄生效应rES=rE,c+rE,b 发射极串联电阻发射极串联电阻rESrE,crE,b发射区为发射区为N+扩散扩散,杂质浓度在杂质浓度在1020cm-3以上以上,所以发射区的体电阻很小所以发射区的体电阻很小,串联电阻主要由串

14、联电阻主要由金属与硅的接触电阻决定金属与硅的接触电阻决定ECSRcE,rSE:发射极接触孔的面积发射极接触孔的面积RC:为硅与发射极金属的欧姆接触系数为硅与发射极金属的欧姆接触系数E接触电阻接触电阻体电阻体电阻2022-11-1828rCS=rC1+rC2+rC3 集电极串联电阻集电极串联电阻rCS集成双极晶体管的无源寄生效应集成双极晶体管的无源寄生效应rC1LWTaWbL上底为有效集电结面积上底为有效集电结面积SC,eff=SE并作以下近似并作以下近似:1.1.上底、下底各为等位面；上底、下底各为等位面；2.2.锥体内的电流只在垂直方向流动；锥体内的电流只在垂直方向流动；3.3.在上下面的电

15、流是均匀的。在上下面的电流是均匀的。baWLTrbaC)ln(1EC2022-11-1829rCS=rC1+rC2+rC3 集电极串联电阻集电极串联电阻rCS集成双极晶体管的无源寄生效应集成双极晶体管的无源寄生效应BLCEBLSCWLRr2rC2LE-CEC2022-11-1830rCS=rC1+rC2+rC3 集电极串联电阻集电极串联电阻rCS集成双极晶体管的无源寄生效应集成双极晶体管的无源寄生效应LWTaWbLbaWLTrbaC)ln(3rC3EC2022-11-1831rCS=rC1+rC2+rC3 集电极串联电阻集电极串联电阻rCS集成双极晶体管的无源寄生效应集成双极晶体管的无源寄生效

16、应rC3rC2rC1ECP+P+N+-BLN-epiCN+PBEN+2022-11-1832rB=rB1+rB2+rB3 基区电阻基区电阻rB集成双极晶体管的无源寄生效应集成双极晶体管的无源寄生效应EBrB3rB2rB12022-11-18332.5 MOSFET2.5 MOSFET的单管结构及工作原理的单管结构及工作原理 单极器件：只有一种载流子参与导电单极器件：只有一种载流子参与导电n+n+p型硅基板型硅基板栅极栅极绝缘层（绝缘层（SiO2）半半导导体体基基板板漏极漏极源极源极2022-11-1834VG=0VS=0VD=0栅极电压为零时，存储在栅极电压为零时，存储在源漏极中的电子互相隔离

17、源漏极中的电子互相隔离2022-11-1835VGS0时，沟道出现耗尽区，时，沟道出现耗尽区，至至VGS VTH时，沟道反型，时，沟道反型，形成了连接源漏的通路。形成了连接源漏的通路。+VGVD电流电流SVDS较小时，沟道中任何一处电压的栅沟道电压都大于较小时，沟道中任何一处电压的栅沟道电压都大于阈值电压，随着阈值电压，随着VDS的增大，电场强度增大，电子漂移速的增大，电场强度增大，电子漂移速度增大，因此电流随着度增大，因此电流随着VDS的增大而增大。的增大而增大。（线性区，（线性区，非饱和区）非饱和区）随着随着VDS进一步增大至进一步增大至VDS=VGS-VTH(即即VGDVTH)时，靠时，

18、靠近漏端边缘的沟道出现夹断，晶体管进入近漏端边缘的沟道出现夹断，晶体管进入饱和区饱和区。随随着着VDS的增大，夹断区向源区移动，电压的增加主要降落的增大，夹断区向源区移动，电压的增加主要降落在夹断点至漏端边缘的高阻区，沟道电子被横向强电场在夹断点至漏端边缘的高阻区，沟道电子被横向强电场拉至漏极，漏源电流基本上不随拉至漏极，漏源电流基本上不随VDS的增大而变化。的增大而变化。2022-11-1836VDID非饱和区非饱和区饱和区饱和区VGN沟沟MOSFET的输出特性曲线的输出特性曲线场区寄生场区寄生MOSFET寄生双极晶体管寄生双极晶体管寄生寄生PNPN效应（闩锁（效应（闩锁（Latch up）

19、效应）效应）2022-11-18372.6 MOS2.6 MOS集成电路中的有源寄生效应集成电路中的有源寄生效应场区寄生MOSFET2022-11-1838n+p substraten+Ln+p substraten+L措施：措施：1.加厚场氧化层的厚度加厚场氧化层的厚度 2.增加场区注入工序增加场区注入工序寄生双极晶体管寄生双极晶体管2022-11-1839n+p substraten+Ln+p substraten+L防止措施：防止措施：1.增大寄生晶体管增大寄生晶体管“基区宽度基区宽度”2.P型衬底接地或负电位型衬底接地或负电位寄生寄生PNPN效应（闩锁（效应（闩锁（Latch up）效应）效应）2022-11-1840P-wellP+P+N+N+VoutVdd(5V)N+P+Vss(0V)RSRWP阱阱RSRWVddVssN衬底衬底消除措施：消除措施：1.减小减小RS,RW（增加接触孔数量，加粗电源、地线（增加接触孔数量，加粗电源、地线,双阱工艺）双阱工艺）2.降低寄生三极管电流放大倍数降低寄生三极管电流放大倍数N作业1.分析集成双极晶体管的有源寄生效应，说分析集成双极晶体管的有源寄生效应，说明器件工作于何种状态下寄生效应不可忽明器件工作于何种状态下寄生效应不可忽略，为什么？略，为什么？2.P48 2.72022-11-1841