最新半导体集成电路第1章下概要教学讲义ppt.ppt

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1、半导体集成电路第1章下概要第一章集成电路器件与模型（下）MOSSpice模型双极型晶体管及其模型双极型晶体管基本工作原理双极型晶体管大信号模型双极型晶体管小信号模型集成二极管的几种类型（续）集成电路无源元件集成电容集成电阻集成电路中MOS晶体管的几种主要效应沟道长度调制效应体效应（背栅效应）短沟道效应LEVEL2模型是基于几何图形分析的模型，是MOS管的二级模型。当沟道长度小于4~5微米时，LEVEL1模型不再适用。考虑了各种二级效应，比如沟道长度对开启电压VTH的影响、漏栅静电反馈效应对VTH的影

2、响、沟道宽度对VTH的影响；表面电场对载流子迁移率的影响等等。适用于短而宽的器件（L~0.7微米）而不适用于长而窄的器件。LEVEL3模型是一个半经验化模型，适用于长、宽不大于2微米的小尺寸器件。此模型公式既能比较精确的描述MOS器件中各种二级效应，又能节省计算时间。但其表达式是采用半经验公式。计算公式中考虑了：1.漏源电源引起的表面势垒降低而使阈值电压下降的静电反馈效应.2.短沟道效应和窄沟道效应对阈值电压的影响.3.载流子极限漂移速度引起的沟道电流饱和效应4.表面电场对载流子迁移率的影响.MOSS

3、pice模型双极型晶体管及其模型双极型晶体管基本工作原理双极型晶体管大信号模型双极型晶体管小信号模型集成二极管的几种类型（续）集成电路无源元件集成电容集成电阻E(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNP平面图P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEB剖面图EBCSN+PNP等效结构图等效电路图双极型晶体管的基本工作原理双极型晶体管的结构由两个PN结组成，分别称为发射结和集电结。发射极重掺杂，集电极轻掺杂。基极一般很薄而且轻掺杂四种工作情况工作模式发射结集电结夹断反向反向正向有源（放大模式）正向反

4、向反向有源反向正向饱和模式正向正向电路符号和电压电流符号约定放大模式工作原理（以PNP为例）在发射极-基极PN结，由于正向偏置，空穴从发射极被“注入”基极（发射，emitting）在基极，由于基区很薄，掺杂浓度低，大部分空穴能扩散到基极-集电极的边缘。在集电极结，反偏电场将空穴送入集电极。（收集，collecting）Ic=Icsexp(VBE/VT)=(qAEDbnb0/W)exp(VBE/VT)基极电流补偿在基区与电子复合的空穴。此电流与集电极电流近似成正比。βF=Ic/Ib典型值为50-200。

5、PNP型晶体管放大模式空穴浓度电流示意图饱和模式，基区存在大量空穴，相当于闭合电路。饱和条件：Vce=Vbe-Vbc~0.1-0.2V。反向有源模式，相当于集电极成为发射极，发射极成为集电极。但是由于原集电极相对于基区的掺杂浓度不高，放大效率并不显著。截止模式，相当于开路。其余工作模式晶体管的I~V特性曲线及Early电压理想状况实际状况（Early电压）双极型晶体管大信号模型饱和区的大信号模型双极型晶体管小信号模型混合π模型。与MOS晶体管的主要区别是多了一个有限的基-射电阻。主要参数的计算gmr0

6、=VA/VT,是一个与晶体管工作点无关的量。对NPN管，典型值为2000-8000。这是单个管能达到的最大电压增益。电阻rb模拟了基极接触和有效基区之间的半导体材料电阻。这个电阻虽然小，但却是限制高频、低增益双极型电路速度的一个重要因素，同时也是主要的噪声源。高频电路下的电容势垒电容（耗尽电容）扩散电容PN结电容势垒电容的来源当外加电压周期性变化时，载流子则周期性地流入或流出势垒区，相当于电容周期地充电，放电，这就是PN结势垒电容。PN结扩散电容正向偏压时，扩散区的电荷随外加电压的变化所产生的电容效应

7、称为“扩散电容”较大正向偏压时，扩散电容起主要作用P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEB剖面图双极型晶体管的速度指标单位增益频率：即晶体管电流降为1时的频率。这个值提供了有效使用晶体管的最高频率。集成NPN晶体管与分立NPN晶体管的差别P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEBE(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNP（1）四层三结结构，构成了一个寄生的PNP晶体管（有源寄生）（2）电极都从上表面引出，造成电极的串联电阻和电容增大（无源寄生）集成NPN晶体管的有源寄生效应（1）NPN晶

8、体管正向有源时P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEBE(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNPVBC<0VSC<0寄生PNP晶体管截止,等效为寄生电容E(N+)B(P)C(N)NPNCJS放大区：发射结正偏，集电结反偏集成NPN晶体管的有源寄生效应（2）NPN晶体管饱和或反向有源时E(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNPVBC>0VSC<0寄生PNP晶体管正向有源导通。有电流流向衬底，影响NPN晶体管的正常工作。饱和区：发射结正偏，集电