半导体 集成电路 学校：西安理工大学 院系：自动化学院电子工程系 专业：电子、微电 时间：秋季学期

第2章 集成电路中的晶体管及其寄生效应 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EM模型 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 MOS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 2019/1/16

2.1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 N+ p n 集电极 发射极 发射结 收集结 发射区N+ 基区P 集电区 N B E C n p N+ 基极 结构特点：1. 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 2019/1/16

当发射结正偏（VBE>0)，集电结反偏（VBC<0)时，为正向工作区。 N P N B 当发射结正偏（VBE>0)，集电结反偏（VBC<0)时，为正向工作区。 电子流 空穴流 共基极短路电流增益 Ie=Ic+Ib 共射极短路电流增益 令 则 2019/1/16

正向工作区 发射结正偏，发射极发射电子，在基区中扩散前进，大部分被集电极反偏结收集： ( 接近于1） 具有电流放大作用： 2019/1/16

当发射结正偏（VBE>0)，集电结也正偏（VBC>0)时(但注意，VCE仍大于0)，为饱和工作区。 N P N B 当发射结正偏（VBE>0)，集电结也正偏（VBC>0)时(但注意，VCE仍大于0)，为饱和工作区。 1. 发射结正偏，向基区注入电子，集电结也正偏，也向基区注入电子（远小于发射区注入的电子浓度），基区电荷明显增加（存在少子存储效应），从发射极到集电极仍存在电子扩散电流，但明显下降。 2.不再存在象正向工作区一样的电流放大作用，即 不再成立。 3. 对应饱和条件的VCE值，称为饱和电压VCES，其值约为0.3V，深饱和时VCES达0.1～0.2V。 2019/1/16

当发射结反偏（VBE<0),集电结也反偏（VBC<0)时，为截止区。 当VBC>0 ， VBE<0时，为反向工作区。工作原理类似于正向工作区，但是由于集电区的掺杂浓度低，因此其发射效率低， 很小（约0.02）。 C E N P N B 反向工作区 2019/1/16

共发射极的直流特性曲线 三个区域： 饱和区 放大区 截止区 2019/1/16

2.2 理想本征集成双极晶体管的EM模型 一结两层二极管(单结晶体管) I V I(mA) 热电压. T=300K,约为26mv P-Si N-Si V I 正方向 V I(mA) ISO 热电压. T=300K,约为26mv A:结面积, D:扩散系数,L:扩散长度, pn0,np0:平衡少子寿命 2019/1/16

二极管的等效电路模型 - + 反向偏置 + - VD 正向偏置 2019/1/16

假设p区很宽，忽略两个PN结的相互作用，则： 两结三层三极管(双结晶体管) 假设p区很宽，忽略两个PN结的相互作用，则： N P B E C IE IC IB IDE IDC V1 V2 2019/1/16 理想本征集成双极晶体管的EM模型

基区宽度远远小于少子扩散长度，相邻PN结之间存在着相互作用 实际双极晶体管的结构 由两个相距很近的PN结组成： 集电极 发射极 发射结 收集结 发射区 基区 集电区 基极 基区宽度远远小于少子扩散长度，相邻PN结之间存在着相互作用 2019/1/16

理想本征集成双极晶体管的EM模型 两结三层三极管(双结晶体管) NPN管反向运用时共基极短路电流增益 NPN管正向运用时共基极短路电流增益 B E C IE IC IB I1 I2 V1 V2 NPN管反向运用时共基极短路电流增益 NPN管正向运用时共基极短路电流增益 2019/1/16 理想本征集成双极晶体管的EM模型

BJT的三种组态 2019/1/16

理想本征集成双极晶体管的EM模型 三结四层结构(多结晶体管) S C B E p n p n IS I3 V3 I2 IC V2 IB I1 IE E 2019/1/16 理想本征集成双极晶体管的EM模型

理想本征集成双极晶体管的EM模型 三结四层结构(多结晶体管) S C 根据基尔霍夫定律，有： E p n p n IS I3 V3 I2 IC C 根据基尔霍夫定律，有： V2 p IB I1 V1 n IE E 2019/1/16 理想本征集成双极晶体管的EM模型

理想本征集成双极晶体管的EM模型 理想本征集成双极晶体管的EM模型 三结四层结构(多结晶体管) 理想本征集成双极晶体管的EM模型 2019/1/16 理想本征集成双极晶体管的EM模型

§2.3 集成双极晶体管的有源寄生效应 双极晶体管的四种工作状态 E C S VBE VBC 饱和区 反向工作区 截止区 正向工作区 p n §2.3 集成双极晶体管的有源寄生效应 双极晶体管的四种工作状态 p n IE E C S IB IC IS I1 I2 I3 V1 V2 V3 VBE VBC 饱和区 反向工作区 截止区 正向工作区 (正偏) (反偏) C(n) B(p) E(n+) npn pnp S(p) 2019/1/16

集成双极晶体管的有源寄生效应 NPN管工作于正向工作区和截止区的情况 npn VBC<0 VEB_pnp<0 VS=0 C(n) B(p) E(n+) npn pnp S(p) VBE VBC 饱和区 反向工作区 截止区 正向工作区 (正偏) (反偏) VBC<0 npn管 VEB_pnp<0 VS=0 VCB_pnp<0 正向工作区和截止区 截止 pnp管 寄生晶体管的影响可以忽略 2019/1/16 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情况 npn VBC>0 npn管 VBE<0 B(p) E(n+) npn pnp S(p) VBE VBC 饱和区 反向工作区 截止区 正向工作区 (正偏) (反偏) VBC>0 npn管 VBE<0 VEB_pnp=VBC_npn>0 VS=0 VCB_pnp<0 pnp管 反向工作区 正向工作区 寄生晶体管对电路产生影响 2019/1/16 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 几个假设: 晶体管参数 EM模型简化 2019/1/16 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EM方程(VBE(V1)<0,VBC(V2)>0) 2019/1/16 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EM方程 减小了集电极电流 作为无用电流流入衬底 采用埋层和掺金工艺 2019/1/16 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管工作于饱和工作区的情况 npn VBC>0 VEB_pnp=VBC_npn>0 E(n+) npn pnp S(p) VBE VBC 饱和区 反向工作区 截止区 正向工作区 (正偏) (反偏) VBC>0 npn管 饱和工作区 VBE>0 VEB_pnp=VBC_npn>0 VS=0 VCB_pnp<0 pnp管 正向工作区 寄生晶体管对电路产生影响 2019/1/16 集成双极晶体管的有源寄生效应

NPN管工作于饱和工作区的EM方程 2019/1/16 集成双极晶体管的有源寄生效应

§2.4 集成双极晶体管的无源寄生效应 C B E N+ N+ P+ P+ P N-epi N+-BL 2019/1/16

集成双极晶体管的无源寄生效应 E 发射极串联电阻rES rE,c rE,b rES=rE,c+ rE,b 接触电阻 体电阻 发射区为N+扩散,杂质浓度在1020cm-3以上, 所以发射区的体电阻很小,串联电阻主要由 金属与硅的接触电阻决定 SE: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 集成双极晶体管的无源寄生效应 2019/1/16

集成双极晶体管的无源寄生效应 E C 集电极串联电阻rCS rCS=rC1+ rC2+rC3 rC1 L W T aW bL 上底为有效集电结面积SC,eff=SE 并作以下近似: 1.上底、下底各为等位面； 2.锥体内的电流只在垂直方向流动； 3.在上下面的电流是均匀的。 2019/1/16 集成双极晶体管的无源寄生效应

E C 集电极串联电阻rCS rCS=rC1+ rC2+rC3 rC2 LE-C 2019/1/16 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 E C 集电极串联电阻rCS rCS=rC1+ rC2+rC3 rC3 L T bL W aW 2019/1/16 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 E C 集电极串联电阻rCS rCS=rC1+ rC2+rC3 rC3 rC1 rC2 P+ N-epi C N+-BL N-epi C N+ P B E 2019/1/16 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 基区电阻rB rB=rB1+ rB2+rB3 B E rB3 rB2 rB1 基极金属 和硅的接触电阻以及 基极接触孔下的基区电阻 rB=rB1+ rB2+rB3 B E 发射区 扩散层下的 基区电阻 rB3 rB2 rB1 发射区扩散层 边缘到基极接触孔边缘的 外基区电阻 2019/1/16 集成双极晶体管的无源寄生效应

§2.5 MOSFET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 n+ n+ p型硅基板 栅极 绝缘层（SiO2） 源极 漏极 半 导 体 基 板 p型硅基板 2019/1/16

VG=0 VS=0 VD=0 栅极电压为零时，存储在 源漏极中的电子互相隔离 2019/1/16

VGS>0时，沟道出现耗尽区， 至VGS> VTH时，沟道反型，形成了连接源漏的通路。 + + + + + + + + VG VD 电流 S VGS>0时，沟道出现耗尽区， 至VGS> VTH时，沟道反型，形成了连接源漏的通路。 VDS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VDS的增大，电场强度增大，电子漂移速度增大，因此电流随着VDS的增大而增大。（线性区，非饱和区） 随着VDS进一步增大至VDS>=VGS-VTH(即VGD<VTH)时，靠近漏端边缘的沟道出现夹断，晶体管进入饱和区。随着VDS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拉至漏极，漏源电流基本上不随VDS的增大而变化。 2019/1/16

N沟MOSFET的输出特性曲线 VD ID 非饱和区 饱和区 VG 2019/1/16

寄生PNPN效应（闩锁（Latch up）效应） §2.6 MOS集成电路中的有源寄生效应 场区寄生MOSFET 寄生双极晶体管 寄生PNPN效应（闩锁（Latch up）效应） 2019/1/16

场区寄生MOSFET 措施：1.加厚场氧化层的厚度 2.增加场区注入工序 n+ p substrate n+ p substrate L L 2019/1/16

寄生双极晶体管 防止措施：1.增大寄生晶体管“基区宽度” 2.P型衬底接地或负电位 n+ p substrate n+ L n+ p substrate L 防止措施：1.增大寄生晶体管“基区宽度” 2.P型衬底接地或负电位 2019/1/16

寄生PNPN效应（闩锁（ Latch up ）效应） P-well P+ N+ Vout Vdd(5V) Vss(0V) Vdd N衬底 RS RW RW N RS P阱 Vss 消除措施： 1. 减小RS,RW（增加接触孔数量，加粗电源、地线,双阱工艺） 2.降低寄生三极管电流放大倍数 2019/1/16

作业 1.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略，为什么？ 2.P48 2.7 2019/1/16