半导体集成电路第1章.ppt

第一章 集成电路中的 晶体管及寄生效应,内容提要,1.集成电路的基本概念、历史、发展 2.集成电路中的元器件结构 3.EM模型 4.有源寄生效应及对策 5.无源寄生效应 6.集成电路中的晶体管模型,第1章 集成电路中的晶体管及寄生效应,为什么要研究寄生效应？ 1、IC中各元件均制作于同一衬底，注定了元件与元件之间，元件与衬底之间存在寄生效应。 2、某些寄生效应是分立电路没有 的，因此研究IC就必须了解这些寄生效应，产生寄生效应的原因，减弱或消除寄生效应的方法，避免影响电路的性能。,3、可能的情况下，可以利用某些寄生效应构成电路所需的元件，简化设计线路。 为全面了解寄生效应，必须熟悉IC的制造工艺及其元件的结构与形成。,§1-1 典型的TTL工艺及 晶体管结构,典型的TTL工艺与平面晶体管工艺大致相同，主要差别在于“隔离”及“隐埋”。 1、隔离 IC中，各元件均制作在硅衬底上，首先必须使各元件之间实现电隔而相互独立，因此需引入“隔离”工艺，在硅片上形成一个个相互绝缘的小区域，再在这些小区域内制作元件，这些小区域称“隔离区”或“隔离岛”。,隔离的方法通常有PN结隔离，介质隔离，PN结介质混合隔离。目前，最简单、最低廉，也最常用的为PN结隔离。 隔离的方式及结构如下：,在P型Si衬底上外延淀积N型外延层。再有选择地扩散出P型隔离框，将N型外延层围成一个个独立的隔离岛，隔离框的扩散深度大于外延层厚度。 这样隔离岛与衬底及隔离框形成一个PN结，称衬底结或隔离结。将衬底S接最低电位。则VAS或VBS0。即隔离PN结总是处于零偏或反偏状态，仅存在微小的漏电流，故隔离岛A、B处于电隔离状态。,2、隐埋 现在我们观察一个IC中的晶体管结构，在计算rcs时有： rcs = rc1 + rc2 + rc3,其中rc2的截面积小，长度长，在rcs中占有主要地位，欲减小的rcs，则主要应减小rc2。 在IC制造过程引入隐埋工艺，在淀积外延层之前，在制造晶体管的位置上，预先对衬底进行高掺杂的n+扩散，以作为集电极的电流通道，这一工艺过程称隐埋工艺，相应的n+区域称隐埋层。 加隐埋层后，rcs在2060之间，取决于晶体管的面积。,3、典型的TTL工艺过程,§1-2：IC中的晶体管及其有源寄生效应,从前面的分析可知，IC中的晶体管是一个四层三结结构。存在有源寄生效应。准确地分析其特性需处理大量的非线性问题，非常困难，因此我们假定器件为一维结构，并引入大量的近似讨论其直流特性。为此我们从简单的PN结入手。引出埃伯斯-摩尔模型（Ebers-Moll）,一、理想的PN结二极管,克莱定理： 其中 : 1.数学近似: V 2.3VT 时 ： V2.3VT 时： I=IS0 2.一般计算: I= 0,3.工程估算: 正向导通: V=VF BE结 VF 0.70.75V BC结 VF 0.60.65V 截 止: I0,二、双结晶体管的E-M模型,讨论一个两个PN结 构成的晶体管。 （规定结电流及结电压的正向 为PN） 当两PN结相距很远时，可以为互相无影响,当两结靠得较近时，相邻两PN结存在晶体管效应,此时： 其中： R ：反向运用共基极短路电流增益 F : 正向运用共基极短路电流增益,将A、B的数值代入，以矩阵表示 又： 故： 此即为双结晶体管E-M模型， 以图表示：,在这里，以PN结注入电流IDE、IDC作为参考电流，故称注入型E-M模型，利用晶体管的可逆性特性:,IS是IES，ICS的公共部分，为晶体管饱和电流。,令,则,以图表示：,称传输型E-M模型,将IEC，ICC两个电流源合并， 则得到非线性混合型E-M模型,三、四层三结E-M模型,将IC中的晶体管简化为四层三结的一维模型,S,p,n+,p,n,B,E,C,PNP,NPN,从模型可以看出，IC中的晶体管除主晶体管外，还存在一个寄生PNP管，欲得到PNP管对NPN管影响的程度，最直观的方法是引入四层三结E-M模型，并与三层二结E-M模型进行比较，仍规定电流电压的正向为PN,且,代入I1，I2，I3的表达式表示为矩阵形式,这就是四层三结晶体管E-M模型,四、IC中晶体管的有源寄生效应,为便于分析，首先给出IC中晶体管的典型参数,并作如下简化： 1、PN结正偏时： 反偏时： 2、几部分电流相加时，若含有 项，则其他项可忽略。 3、不含 的几项电流相加时，和含ISS项相比，可忽略 IES ，ICS项,按晶体管的不同工作状态讨论寄生效应 1、NPN管正向有源 此时：VBE0 ，VBC 0， VSC 0寄生晶体管截止，对NPN管基本无影响。 与普通NPN管比较，仅增加了IB、IC的反向漏电流，同时增加了一项衬底电流，电路功耗增加。,2. NPN管截止 此时，VBE0 ，VBC 0， VSC 0，寄生晶体管截止，IE反向电流不变，IB、IC中增加了衬底漏电流IS。 普通NPN管 IC中的NPN管 关断电流增大100倍，且整个电路增加了衬底漏电流。功耗增大 ，温度稳定性差,3. NPN管反向运用： 此时，VBE0， VSC 0，寄生晶体管正向导通 IE，IB基本上无变化，IC 减小了 IS大大增加 晶体管三个端电流对衬底漏电流的比值为： 当SF减小时，有用电流的比值增加，故应尽量减小寄生晶体管的电流放大系数。,4NPN管饱和 此时，VBE0 ，VBC 0， VSC 0。 在双极型数字电路中，一般都只使用一个正电源，则衬底接地，考虑一个射极接地的晶体管,S (Cp),p,n+,p,n,Bn (Ep),E,C (Bp),又,将VBC，VSC的关系代入，整理后： 此时的VCE即VCES 引入饱和度,极度饱和时,而对三层结构极度饱和时,故：寄生PNP管使饱和压降下降。,物理意义：集电极电流被衬底结漏电流分流下降，故Vces下降。 此时衬底漏电流较大：,均反比于Is，故应降低。,当 时， 各项比值小于1。,五、降低有源寄生效应的办法,综上所述，寄生PNP管的影响主要是增加漏电流，影响隔离效果。 考察衬底漏电流的情况： 当NPN管正向有源或截止时 IS=ISS 可通过减小衬底截面积和选择有关材料的电阻率调整。 当NPN管工作于反向或饱和时 这部份电流很大，唯一的途径是减小SF，目前主要的措施有掺金及设置隐埋层。,1、隐埋层,设置隐埋层对PNP管的影响主要有三方面： 首先：加大了寄生PNP管的基区宽度，从这一点考虑埋层必须有足够大的区域（超过npn管基区） 其次：增加了NPN管基区浓度，减小了注入效率 第三：埋层杂质上推，杂质电离后，成为具有一定分布的电离中心，这一电离中心的分布形成一个向上的电场，阻碍PNP管基区内少子的运动。 加埋层后，可降至13。,2、掺金,金在半导体内形成有效复合中心，可显著降低载子寿命，掺金于PNP管基区内，可使SF0.01。 需说明的是: a、掺金浓度不宜太高，否则会使半导体一材料的电阻率上升（类似于杂质补偿） b、掺金对NPN管和PNP管的影响不一样,例如: 此时: P型基区内电子寿命 N型基区内空穴寿命 因此掺金后，尽量Au可能扩散至整个芯片内，但NPN管的值仍可控制在数字电路晶体的合理范围内 =15 30,§1-3：IC中晶体管的无源寄生效应,四层三结结构晶体管E-M模型描述了有源寄生效应，实际上晶体管中还存在电荷存贮效应（以电容表征）和欧姆体电阻（以电阻表征），这些以无源元件等效应称无源寄生效应。 由于实际晶体管为三维结构，且存在发射极电流集边效应，基区电导调制效应，有效基区扩展效应等，精确描述无源寄生效应非常困难，只能通过大量的近似获得粗略的结果。,描述无源寄生效应的典型的晶体管结构如下,1、发射极串连电阻： Rc欧姆接触系数 量纲 ， Se 发射极接触孔面积。 对 硅接触： 一般,一、寄生电阻,2、集电极串连电阻： 典型值 2060 计算方法见晶体管原理 3、基区电阻r b 典型值 100200 计算方法见晶体管原理,1、势垒电容 PN结压降发生变化时，空间电荷区发生变化 2、扩散电容CD PN正偏时，PN结两侧少数载流子积累，发生在少子扩散区，故称扩散电容。 3、延伸引线电容 铝电极面积总量是大于接触孔面积，于是延伸电极通过氧化膜与其下的半导体形成MOS电容，一般小于Cj、CD，仅在高速电路中需要考虑。,二、寄生电容,三、IC中晶体管的等效模型 在数字电路中，采用掺金及隐埋工艺，使寄生PNP管退化到可以忽略的程度，这时晶体管等效模型如下,