集成电路中的晶体管及其寄生

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1、第2章集成电路中的晶体管及其寄生效应信息工程学院李薇薇liweiwei@hebut.edu.cn2.1理想本征集成双极晶体管的埃伯斯-莫尔模型一、要点通过隔离把硅片分成一定数目的相互绝缘的隔离区；在各个隔离区制作晶体管，电阻等元件；制作互连线，把各个元件按照一定功能连接起来。多维效应——集成电路中的双极晶体管为四层三结结构，各电极均从上面引出，而且各结面积不同。二、寄生晶体管作用分析（1）NPN工作于饱和区或反向工作区（数字集成电路）：VBC－NPN>0，VBE－PNP>0，PNP管的发射结正偏，PNP管处于正向工作状态。（2）NPN处于截止区或正

2、向工作区（模拟集成电路）：VBC—NPN<0，VBE－PNP<0，PNP管的发射结反偏，寄生PNP管截止。结论：寄生的PNP管NPN工作于饱和区或反向工作区——严重影响集成电路的工作。NPN工作于截止区或正向工作区——寄生PNP截止。三、EM模型如果令I3＝0或ISS＝0，就可得出三层二结结构NPN晶体管的EM方程：2.2集成双极晶体管的有源寄生效应假定隔离结始终处于反偏，并取晶体管的参数如下；对EM模型作简化：①PN结正偏工作时，PN结反偏工作时，②在电流叠加时只计算exp(VF/Vt)项．即可以忽略反偏电流，当全部结都反偏时，只考虑ISS项③V

3、SC总是小于零，所以2.2.1NPN管工作于正向工作区和截止区的情况NPN管工作于正向工作区和截止区时，NPN管的BC结压降VBC-NPN<0，亦即PNP管的BE结压降VBE-PNP<0；因为PNP管的BC结压降VBC-PNP=VSC<0，所以寄生PNP管截止。此时IS’=-ISS≈0。寄生PNP管的存在对NPN管的电流基本上没有影响，只是增加了IB及IC中的反向漏电．同时增加一项衬底漏电流IS’。在模拟集成电路中，NPN管一般工作在正向工作区，所以寄生PNP管的影响可以忽略。2.2.2NPN管工作于反向工作区的情况NPN管工作于反向工作区时各结的

4、电压情况如下：对于NPN管，VBE-NPN<0VBC-NPN>0；对于PNP管，VBE-PNP=VBC-NPN>0，VBC-PNP=VSC<0此时寄生PNP管工作在正向工作区。分析：寄生PNP对IE及IB基本没有影响，但使反向NPN管的“发射机电流”（－IC）减少了。说明：寄生PNP管导通的结果是，使相当大的一股反向NPN管的“发射极电流”作为无用电流IS’而流入衬底。减少PNP的影响——减少寄生PNP管正向运用时的共基极短路电流增益——采用掺金工艺和埋层工艺。掺金——增加大量复合中心而使少子寿命大大下降，埋层——使寄生PNP管的基区宽度WB大大增

5、加，且埋层上扩散在寄生PNP管基区形成的减速场，使少子的基区渡越时间增加。2.2.3NPN管工作于饱和区的情况数字集成电路中的NPN管工作在饱和区。各结电压情况如下：在这种情况下寄生PNP管工作在正向工作区，EM方程为：减少寄生PNP管的影响，就要减少和增大增大采用肖特基二极管（SBD）对BC结进行箝位，使VBC下降为0.5V左右。令利用晶体管可逆特性，可将各有用电流和衬底电流之比表示如下：2.3集成双极晶体管的无源寄生效应无源寄生效应——集成集体管中存在着电荷存储效应，Cj，CD和从晶体管有效基区到晶体管各引出端之间的欧姆体电阻。2.3.1集成N

6、PN晶体管中的寄生电阻1、发射极串连电阻rES——发射区体电阻；——发射极金属和硅的接触电阻发射区体电阻很小（发射区为N＋扩散区）主要考虑计算公式：SE——发射极接触孔面积；RC——硅与发射极金属的欧姆接触系数（可查表）2、集电极串联电阻rCS集成晶体管的集电极串联电阻rCS大于分立晶体管的集电极串联电阻（因为集成晶体管的集电极是从表面引出的）rCS与IC和VBC有关要精确计算rCS很困难，主要有两个原因：在大信号工作情况下发生发射极电流的集边效应，使电流不是均匀地流过集电结，即rCS与IC有关。VBC变化所引起的耗尽层宽度的变化，也会使rCS发生

7、变化。（1）rC1的计算在进行rC1的计算时，假定其图形是一个上下底为矩形且相互平行的锥体，其上底为有效集电结面积Sc.eff，即Sc.eff＝SE(发射结面积)，并作以下近似：①上底、下底备为等位面；②锥体内的电流只在垂直方向流动；③在上、下面上的电流分布是均匀的。这样结构的电阻可用公式求得：公式的适用范围：不能再认为电流再锥体内是垂直流动的，此时再计算rC1时，应该来代替实际中的bL和aW，不然所求得的电阻值会偏低。平行锥体的厚度T可用下式来近似估算：（2）rC2的计算因为电流由集电结垂直下来后转角流人埋层，所以取拐角的电阻为1/2的薄层电阻值

8、，因而在计算rC2的长度时，可以计算从发射区接触孔中心到集电极接触孔中心的长度LE-C即可（3）rC3的计算rC3也是一个