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1、2022/10/281半导体半导体集成电路集成电路第第2章章 集成电路中的晶体管及其寄生集成电路中的晶体管及其寄生效应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2022/10/282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
2、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）同时参与导电双极器件：两种载流子（电子和空穴）同时参与导电2022/10/283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：结构特点：结构特点：1.1.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 2.2.基区宽度很窄基区宽度很窄基区宽度很窄基区宽度很窄图图1.3.3 晶体管内部载流子运动与外部电流晶体管内部载流子运动与外部电
3、流正向工作正向工作正向工作正向工作外部条件外部条件外部条件外部条件发射结正偏发射结正偏发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏集电结反偏集电结反偏V VCCCCV VBBBB晶体管内部载流子的运动（以晶体管内部载流子的运动（以晶体管内部载流子的运动（以晶体管内部载流子的运动（以NPNNPN为例）为例）为例）为例）发射结正偏，发射极发射电子，在基区中扩散前进，大部分发射结正偏，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：被集电极反偏结收集：(接近于接近于1）具有电流放大作用：具有电流放大作用：共射极短路电流增益共射极短路电流增益共基极短路电流增益共基极短路电流增益1.发射结正偏，
4、向基区注入电子，集电结也正偏，也向基区注入电发射结正偏，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。显下降。2.不再存在像正向工作区一样的电流放大作用，即不再存在像正向工作区一样的电流放大作用，即 不再成立。不再成立。3.对应饱和条件的对应饱和条件的VCE值，称为饱和电压值，称为饱和电压VCES，其值约为，深饱和时，其值约为，深饱和时VCES达。达。2022/10/
5、285当发射结正偏（当发射结正偏（VBE0)，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。NNPECB当当VBC0，VBE0时时，为反向工作区。工作原理类似于正向，为反向工作区。工作原理类似于正向工作区，但是由于工作区，但是由于集电区的掺杂浓度低集电区的掺杂浓度低集电区的掺杂浓度低集电区的掺杂浓度低，因此其发射效率因此其发射效率低，低，很小（约）很小（约）。2022/10/286 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，（，（eVF/Vt-1）eVF/VtPN结结反偏反偏时时，VR0，（
6、，（eVR/Vt-1）-1在在电电流叠加流叠加时时只只计计算算eVF/Vt项项，可以忽略反偏，可以忽略反偏电电流，当流，当全部全部结结都反偏都反偏时时，只考，只考虑虑ISS项项VSC总总是小于零，所以是小于零，所以ISS（eVSC/Vt-1）-ISS 0 讨论隔离结讨论隔离结(SC结）引入的寄生结）引入的寄生PNP结对工作结对工作NPN结的影结的影响。在讨论中，晶体管的参数如下响。在讨论中，晶体管的参数如下：ppnnIEEBCSIBICISI1I2I3V1V2V3工作工作工作工作NPNNPN晶体管晶体管晶体管晶体管寄生寄生寄生寄生PNPPNP晶体管晶体管晶体管晶体管NPNNPN管工作于正向工作
7、区和截止区的情况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管工作于正向工作区和截止区的情况NPNPNPE(N+)B(P)C(N)S(P)VBEVBC0饱和区饱和区正向工作区正向工作区反向工作区反向工作区截止区截止区（正偏）（正偏）（反偏）（反偏）（反反偏偏）（正正偏偏）VBEVBC0饱和区饱和区正向工作区正向工作区反向工作区反向工作区截止区截止区（反偏）（反偏）（正偏）（正偏）（正正偏偏）（反反偏偏）NPNPNP模拟集成电路模拟集成电路寄生寄生PNP管管,两个两个PN结均反偏结均反偏正偏正偏反偏反偏反偏反偏 ISS（eVSC/Vt-1）-ISS 0，寄生寄生寄生寄生PNP
8、PNP管的存在对管的存在对管的存在对管的存在对NPNNPN管的电路基本上没有影响，只是增管的电路基本上没有影响，只是增管的电路基本上没有影响，只是增管的电路基本上没有影响，只是增加了加了加了加了I IB B和和和和I IC C中的反向漏电，同时增加了指向衬底漏电流中的反向漏电，同时增加了指向衬底漏电流中的反向漏电，同时增加了指向衬底漏电流中的反向漏电，同时增加了指向衬底漏电流I I S S。模拟集成电路中，寄生模拟集成电路中，寄生模拟集成电路中，寄生模拟集成电路中，寄生PNPPNP管的影响可以忽略。管的影响可以忽略。管的影响可以忽略。管的影响可以忽略。NPNNPN管工作于反向工作区管工作于反向
9、工作区管工作于反向工作区管工作于反向工作区NPNPNPE(N+)B(P)C(N)S(P)VBEVBC0饱和区饱和区正向工作区正向工作区反向工作区反向工作区截止区截止区（正偏）（正偏）（反偏）（反偏）（反反偏偏）（正正偏偏）VBEVBC0饱和区饱和区正向工作区正向工作区反向工作区反向工作区截止区截止区（反偏）（反偏）（正偏）（正偏）（正正偏偏）（反反偏偏）NPNPNP正偏正偏正偏正偏反偏反偏反偏反偏正偏正偏正偏正偏反偏反偏反偏反偏2022/10/2825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,VSC(
10、V3)0)2022/10/2826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 NPN管工作于反向工作区的管工作于反向工作区的管工作于反向工作区的管工作于反向工作区的EMEM方程方程方程方程u寄生寄生PNP管管对对IE和和IB基本上没有影响基本上没有影响u寄生寄生PNP管使得管使得(-IC)减小了减小了IS,(-IC为为反向反向NPN管的管的发发射极射极电电流）流）寄生寄生PNP管管导导通会通会导导致相当大的一股反向致相当大的一股反向NPN管的管的“发发射极射极电电流流”作作为为无用无用电电流流IS而流入而流入衬衬底底减小寄生减小寄生减小寄生减小寄生PNPPNP管的影响（减
11、小管的影响（减小管的影响（减小管的影响（减小I I S S），就要求减小），就要求减小），就要求减小），就要求减小a aSFSF:uu采用采用采用采用掺掺掺掺金工金工金工金工艺艺艺艺增加大量复合中心而使得少子寿命下降增加大量复合中心而使得少子寿命下降增加大量复合中心而使得少子寿命下降增加大量复合中心而使得少子寿命下降uu埋埋埋埋层层层层工工工工艺艺艺艺增大增大增大增大PNPPNP管的基区管的基区管的基区管的基区宽宽宽宽度，从而增加少子的基区渡越度，从而增加少子的基区渡越度，从而增加少子的基区渡越度，从而增加少子的基区渡越时间时间时间时间ppnnIEEBCSIBICISI1I2I3V1V2V3工
12、作工作工作工作NPNNPN晶晶晶晶体管体管体管体管寄生寄生寄生寄生PNPPNP晶晶晶晶体管体管体管体管NPNNPN管工作于反向工作区管工作于反向工作区管工作于反向工作区管工作于反向工作区u寄生寄生PNP管管对对IE和和IB基本上没有影响基本上没有影响u寄生寄生PNP管使得管使得(-IC)减小了减小了IS,(-IC为为反向反向NPN管的管的发发射极射极电电流）流）寄生寄生PNP管管导导通会通会导导致相当大的一股反向致相当大的一股反向NPN管的管的“发发射极射极电电流流”作作为为无用无用电电流流IS而流入而流入衬衬底底减小寄生减小寄生减小寄生减小寄生PNPPNP管的影响（减小管的影响（减小管的影响
13、（减小管的影响（减小I I S S），就要求减小），就要求减小），就要求减小），就要求减小a aSFSF:uu采用采用采用采用掺掺掺掺金工金工金工金工艺艺艺艺增加大量复合中心而使得少子寿命下降增加大量复合中心而使得少子寿命下降增加大量复合中心而使得少子寿命下降增加大量复合中心而使得少子寿命下降uu埋埋埋埋层层层层工工工工艺艺艺艺增大增大增大增大PNPPNP管的基区管的基区管的基区管的基区宽宽宽宽度，从而增加少子的基区渡越度，从而增加少子的基区渡越度，从而增加少子的基区渡越度，从而增加少子的基区渡越时间时间时间时间ppnnIEEBCSIBICISI1I2I3V1V2V3工作工作工作工作NPNNP
14、N晶晶晶晶体管体管体管体管寄生寄生寄生寄生PNPPNP晶晶晶晶体管体管体管体管NPNNPN管工作于反向工作区管工作于反向工作区管工作于反向工作区管工作于反向工作区NPNNPN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u寄生寄生PNP管管,两个两个PN结结均反偏均反偏u寄生寄生PNP管的存在管的存在对对NPN管的管的电电路基本上没路基本上没有影响，只是增加了有影响，只是增加了IB和和IC中的反向漏中的反向漏电电，同同时时增加了指向增加了指向衬衬底漏底漏电电流流IS。模。模拟拟集成集成电电路中，寄生路中，寄生PN
15、P管的影响可以忽略。管的影响可以忽略。上节课内容复习上节课内容复习上节课内容复习上节课内容复习NPNPNPE(N+)B(P)C(N)S(P)VBEVBC0饱和区饱和区正向工作区正向工作区反向工作区反向工作区截止区截止区（正偏）（正偏）（反偏）（反偏）（反反偏偏）（正正偏偏）VBEVBC0饱和区饱和区正向工作区正向工作区反向工作区反向工作区截止区截止区（反偏）（反偏）（正偏）（正偏）（正正偏偏）（反反偏偏）NPNPNP正偏正偏正偏正偏正偏正偏正偏正偏正偏正偏正偏正偏反偏反偏反偏反偏NPNNPN管工作于饱和区情况管工作于饱和区情况管工作于饱和区情况管工作于饱和区情况 提高有用提高有用提高有用提高有
16、用电电电电流的比流的比流的比流的比值值值值，即减小寄生，即减小寄生，即减小寄生，即减小寄生PNPPNP管的影响（减小管的影响（减小管的影响（减小管的影响（减小I I S S）：减小）：减小）：减小）：减小a aSFSF，增大增大增大增大uu采用采用采用采用掺掺掺掺金工金工金工金工艺艺艺艺、埋、埋、埋、埋层层层层工工工工艺艺艺艺减小减小减小减小a aSFSFuu肖特基二极管肖特基二极管肖特基二极管肖特基二极管(SBD)(SBD)对对对对BCBC进进进进行行行行钳钳钳钳位位位位，使使使使V VBCBC下降下降下降下降0.5V0.5V，增大，增大，增大，增大 ,从而从而从而从而使得使得使得使得I I
17、 S S下降到原来的下降到原来的下降到原来的下降到原来的1/50.1/50.实际的集成晶体管中还存在着实际的集成晶体管中还存在着电荷储存效应电荷储存效应和从晶体管有效和从晶体管有效区到晶体管各引出端之间的区到晶体管各引出端之间的欧姆体电阻欧姆体电阻。它们对晶体管的工。它们对晶体管的工作产生影响，称为作产生影响，称为无源寄生效应无源寄生效应。标有无源寄生元件的集成标有无源寄生元件的集成NPN晶体管结构图晶体管结构图寄生寄生电电阻：阻：res、rcs、rb和寄生和寄生电电容容CJ、CD：n集成双极晶体管集成双极晶体管电电路中的路中的寄生寄生电电阻大于分立器件阻大于分立器件n集成双极晶体管集成双极晶
18、体管电电路中的路中的寄生寄生电电容大于容大于MOS器件器件2.3 2.3 2.3 2.3 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2022/10/2833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发射极串联电阻发射极串联电阻r rESESrE,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SE:发射
19、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在小在小在小在小电电电电流的情流的情流的情流的情况下，况下，况下，况下，r rESES通常可以忽略通常可以忽略通常可以忽略通常可以忽略2022/10/2834rCS=rC1+rC2+rC3 集电极串联电阻集电极串联电阻集电极串联电阻集电极串联电阻r rCSCS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在大信号工作情况下在大信号工作情况下在大信号工作情况下在大信号工作情况下发发发发生生生生发发发发射极射极射极射极电电电电流的集流的集流的集流的集边边边边效效
20、效效应应应应，使，使，使，使电电电电流不流不流不流不是均匀地流是均匀地流是均匀地流是均匀地流过过过过集集集集电结电结电结电结，即，即，即，即r rCSCS与与与与I IC C有关有关有关有关由于由于由于由于V VBCBC变变变变化所引起的耗尽化所引起的耗尽化所引起的耗尽化所引起的耗尽层宽层宽层宽层宽度的度的度的度的变变变变化，也会使化，也会使化，也会使化，也会使r rCS CS 发发发发生生生生变变变变化化化化集成晶体管的集电极是从表面引出的，所以集成晶体管的集成晶体管的集电极是从表面引出的，所以集成晶体管的集成晶体管的集电极是从表面引出的，所以集成晶体管的集成晶体管的集电极是从表面引出的，所
21、以集成晶体管的r rCSCS比分立器件的比分立器件的比分立器件的比分立器件的r rCSCS大得多大得多大得多大得多此此此此电电电电阻阻阻阻对逻辑对逻辑对逻辑对逻辑ICIC的的的的输输输输出低出低出低出低电电电电平有平有平有平有较较较较大的影响大的影响大的影响大的影响rC3rC2rC1ECB 在发射结在发射结在发射结在发射结正偏正偏正偏正偏时，通过发射时，通过发射时，通过发射时，通过发射结的电流大部分都结的电流大部分都结的电流大部分都结的电流大部分都流向了集电极流向了集电极流向了集电极流向了集电极（是少数载流子的扩散电流），（是少数载流子的扩散电流），（是少数载流子的扩散电流），（是少数载流子的
22、扩散电流），只有很小一部分流向基极。因为只有很小一部分流向基极。因为只有很小一部分流向基极。因为只有很小一部分流向基极。因为BJTBJT存在一定的存在一定的存在一定的存在一定的基极电阻基极电阻基极电阻基极电阻，包括，包括，包括，包括发射区正下方基区的发射区正下方基区的发射区正下方基区的发射区正下方基区的横向电阻横向电阻横向电阻横向电阻（是一种是一种是一种是一种扩展电阻扩展电阻扩展电阻扩展电阻）和发射区）和发射区）和发射区）和发射区正下正下正下正下方以外基区的电阻方以外基区的电阻方以外基区的电阻方以外基区的电阻；而基极电流是在基区中横向流动的，则在扩展的基极电；而基极电流是在基区中横向流动的，则
23、在扩展的基极电；而基极电流是在基区中横向流动的，则在扩展的基极电；而基极电流是在基区中横向流动的，则在扩展的基极电阻上将产生电压降，这就使得发射区正下方基区中各点的阻上将产生电压降，这就使得发射区正下方基区中各点的阻上将产生电压降，这就使得发射区正下方基区中各点的阻上将产生电压降，这就使得发射区正下方基区中各点的电位不一样电位不一样电位不一样电位不一样，即在，即在，即在，即在发射结边缘处的电位较高、在发射结中心处的电位较低（甚至为发射结边缘处的电位较高、在发射结中心处的电位较低（甚至为发射结边缘处的电位较高、在发射结中心处的电位较低（甚至为发射结边缘处的电位较高、在发射结中心处的电位较低（甚至
24、为0 0）；于是，；于是，；于是，；于是，就造成发射结面上各点的电压不同（发射结周围边缘处的电压高，中心处的就造成发射结面上各点的电压不同（发射结周围边缘处的电压高，中心处的就造成发射结面上各点的电压不同（发射结周围边缘处的电压高，中心处的就造成发射结面上各点的电压不同（发射结周围边缘处的电压高，中心处的电压低），从而使得发射结面上各点的注入电流密度也就不同电压低），从而使得发射结面上各点的注入电流密度也就不同电压低），从而使得发射结面上各点的注入电流密度也就不同电压低），从而使得发射结面上各点的注入电流密度也就不同发射结周发射结周发射结周发射结周围边缘处的电流密度大，中心处的电流密度围边缘处
25、的电流密度大，中心处的电流密度围边缘处的电流密度大，中心处的电流密度围边缘处的电流密度大，中心处的电流密度 0 0，即发射极电流基本上都集中，即发射极电流基本上都集中，即发射极电流基本上都集中，即发射极电流基本上都集中到了发射结的周围一圈到了发射结的周围一圈到了发射结的周围一圈到了发射结的周围一圈，这就是，这就是，这就是，这就是发射极电流集边效应发射极电流集边效应发射极电流集边效应发射极电流集边效应。可见，该效应实际上。可见，该效应实际上。可见，该效应实际上。可见，该效应实际上是由基极电阻所引起的，所以这种效应也称为是由基极电阻所引起的，所以这种效应也称为是由基极电阻所引起的，所以这种效应也称
26、为是由基极电阻所引起的，所以这种效应也称为基极电阻自偏压效应基极电阻自偏压效应基极电阻自偏压效应基极电阻自偏压效应。2022/10/2835rC1ECu发发发发射极射极射极射极电电电电流的集流的集流的集流的集边边边边效效效效应应应应 发射极电流集边效应所造成的直接影响就是发射结面不能充发射极电流集边效应所造成的直接影响就是发射结面不能充发射极电流集边效应所造成的直接影响就是发射结面不能充发射极电流集边效应所造成的直接影响就是发射结面不能充分被利用，降低了发射极注射效率，使电流放大系数减小分被利用，降低了发射极注射效率，使电流放大系数减小分被利用，降低了发射极注射效率，使电流放大系数减小分被利用
27、，降低了发射极注射效率，使电流放大系数减小B2022/10/2836rCS=rC1+rC2+rC3rC1假假设设条件：条件：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.在上下面的电流是均匀的。在上下面的电流是均匀的。ECurC1的的计计算算T=Tepi-xjc-xmc-epi-TBL-up-toxTepi外延层厚度外延层厚度；xjc集电结结深；集电结结深；xmc-epi集电结耗尽区在外延层一侧的宽度；集电结耗尽区在外延层一侧的宽
28、度；TBL-up埋层的上向扩散距离埋层的上向扩散距离；tox各次氧化所消耗外延层厚度各次氧化所消耗外延层厚度深饱和、大注入时，由于基深饱和、大注入时，由于基深饱和、大注入时，由于基深饱和、大注入时，由于基区的电导调制效应，区的电导调制效应，区的电导调制效应，区的电导调制效应，r rC1C1下降，可以忽略下降，可以忽略下降，可以忽略下降，可以忽略LWTaWbL 基区的有效宽度随集电结的反基区的有效宽度随集电结的反偏电压的变化而变化的效应。偏电压的变化而变化的效应。当集电结反向电压增大时，集当集电结反向电压增大时，集电结的空间电结的空间电荷电荷区加宽，这就区加宽，这就引起引起基区有效宽度变窄基区有
29、效宽度变窄。因而。因而载流子在基区复合的机会减小，载流子在基区复合的机会减小，所以基极电流所以基极电流Ib随集电极反偏随集电极反偏电压增大而减小，也就是基区电压增大而减小，也就是基区有效电导减小有效电导减小.2022/10/2837rC1EC基区的基区的基区的基区的电导调电导调电导调电导调制效制效制效制效应应应应2022/10/2838rCS=rC1+rC2+rC3u rC2的的计计算算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rC2LE-CEC rC2从从发发射区接触孔中心到集射区接触孔中心到集电电极极接触孔中心的接触孔中心的这这端掩埋端掩埋层层构成构成R RS_BLS_BL:
30、掩埋掩埋掩埋掩埋层层层层的体的体的体的体电电电电阻阻阻阻L LE-CE-C:发发发发射区接触孔中心到集射区接触孔中心到集射区接触孔中心到集射区接触孔中心到集电电电电极接触孔中心的距离；极接触孔中心的距离；极接触孔中心的距离；极接触孔中心的距离；WWBLBL:掩埋掩埋掩埋掩埋层层层层的厚度的厚度的厚度的厚度2022/10/2839rCS=rC1+rC2+rC3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LWTaWbLrC3ECu rC3的的计计算算与与与与r rC1C1同同同同样样样样推得，推得，推得，推得，T T=T Tepiepi-x xJEJE-T TBL-upBL-upx x
31、JEJE集集集集电电电电极接触区厚度极接触区厚度极接触区厚度极接触区厚度以上计算中忽略了以下几点：以上计算中忽略了以下几点：实际电实际电路是三路是三维维流流动动的，的，rc的的实际值实际值小于小于计计算算值值在在实际实际运用中，运用中，VBC0V，有空穴注入到，有空穴注入到发发射区下面的外射区下面的外延延层层中，中，产产生生电导调电导调制效制效应应，使得当，使得当rc1下降；在深下降；在深饱饱和、大和、大注入注入时时，可使，可使rc1下降很多，以致下降很多，以致rc1可以忽略不可以忽略不计计。此。此时时有：有：rCSrC2+rC3在在rcs中起主要作用的是中起主要作用的是rC2和和rC3 当当
32、PN结上流过的正向电流较大时，注入并积累在低掺杂结上流过的正向电流较大时，注入并积累在低掺杂N区的少子空穴区的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体中性条件，其多子浓度也相应大幅度增加，浓度将很大，为了维持半导体中性条件，其多子浓度也相应大幅度增加，使得其电阻率明显下降，也就是电导率大大增加，这就是使得其电阻率明显下降，也就是电导率大大增加，这就是电导调制效应。电导调制效应。n减小减小rCS的方法的方法在工在工艺设计艺设计上，采用加埋上，采用加埋层层的方法以减小的方法以减小rC2：减小外延减小外延层层的的电电阻率，降低外延阻率，降低外延层层的高度的高度在工在工艺艺上，采用深上，采用深N+集集电电极
33、接触极接触扩扩散以减小散以减小rC3，工，工艺艺上增上增加一加一块块掩模版掩模版N+n 设计设计中采用中采用BEC排列来减小集排列来减小集电电极接触孔到极接触孔到发发射极接触孔的射极接触孔的距离，以减小距离，以减小rC2n在在设计设计中，采用增加集中，采用增加集电电极面极面积积来减小来减小rC2，但芯片面，但芯片面积积增加，增加，寄生寄生电电容增大容增大2022/10/2842rCS=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rC3rC2rC1ECP+P+N+-BLN-epiCN+PBEN+2022/10/2843rB=r
34、B1+rB2+rB3 基区电阻基区电阻基区电阻基区电阻r rB B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EBrB3rB2rB1发射区发射区发射区发射区扩散层下的扩散层下的扩散层下的扩散层下的基区电阻基区电阻基区电阻基区电阻发射区扩散层发射区扩散层发射区扩散层发射区扩散层边缘到基极接触孔边缘边缘到基极接触孔边缘边缘到基极接触孔边缘边缘到基极接触孔边缘的外基区电阻的外基区电阻的外基区电阻的外基区电阻基极金属基极金属基极金属基极金属和硅的接触电阻以及和硅的接触电阻以及和硅的接触电阻以及和硅的接触电阻以及基极接触孔下的基区电阻基极接触孔下的基区电阻基极接触孔下的基区电阻基极接触孔下的
35、基区电阻从基区接触孔到有效基区从基区接触孔到有效基区从基区接触孔到有效基区从基区接触孔到有效基区之之之之间间间间存在相当大的串存在相当大的串存在相当大的串存在相当大的串联电联电联电联电阻阻阻阻由于由于由于由于r rB B的存在，在大注入的存在，在大注入的存在，在大注入的存在，在大注入情况下会引起情况下会引起情况下会引起情况下会引起发发发发射极射极射极射极电电电电流的集流的集流的集流的集边边边边效效效效应应应应，而且影响模，而且影响模，而且影响模，而且影响模拟电拟电拟电拟电路中的高路中的高路中的高路中的高频频频频增益和噪声性能增益和噪声性能增益和噪声性能增益和噪声性能rB1的的计计算算WE、LE
36、：发发射区射区宽宽度和度和长长度度RSB1:内基区的薄内基区的薄层电层电阻，阻，查图查图可可求。求。rB2的的计计算算WE-B：发发射极到基极的距离射极到基极的距离RSB:基区扩散层的薄层电阻。基区扩散层的薄层电阻。rB3的的计计算算 欧姆接触，欧姆接触，远远小于前面两个，忽略小于前面两个，忽略EBrB3rB2rB12022/10/2845n存在问题存在问题：RSB1的的计计算很困算很困难难，因，因为为基区基区WB的影响因素很的影响因素很多，很多，很难计难计算。算。查查欧文曲欧文曲线线的得到的的得到的RSB1误误差也差也比比较较大，故大，故rB的的误误差大差大发发射极射极电电流流IE1mA时时
37、，发发射极射极电电流会流会发发生集生集边边效效应应，截止，截止，rB10则则：rBrB2+rB3n减小减小rB的方法的方法在工作点在工作点设计时设计时取取较较大的大的IC在版在版图设计图设计上，可用双基极条或梳上，可用双基极条或梳状状电电极等极等EBrB3rB2rB1内基区的薄内基区的薄层电层电阻阻材料的电阻率材料的电阻率NPNNPN晶体管中的寄生电容晶体管中的寄生电容晶体管中的寄生电容晶体管中的寄生电容与与PN结结有关的耗尽有关的耗尽层势垒电层势垒电容容Cj与可与可动载动载流子在中性区的存流子在中性区的存储电储电荷有关的荷有关的扩扩散散电电容容CD。对于集。对于集成晶体管，除了成晶体管，除了
38、EB,BC结电容外，还多了一个结电容外，还多了一个CS结电容结电容电电极引极引线线的延伸的延伸电电极极电电容容Cpad，一般很小，可以忽略不计，一般很小，可以忽略不计 集成晶体管中的寄生电容会使管子的高频性能和开关性能变集成晶体管中的寄生电容会使管子的高频性能和开关性能变坏。寄生电容可以分成以下几类：坏。寄生电容可以分成以下几类：n PN结势垒电容结势垒电容Cj 包括了三结的势垒电容包括了三结的势垒电容减少减少PN结的面积结的面积提高反向偏压也有利于减少势垒电容提高反向偏压也有利于减少势垒电容n 扩散电容扩散电容CD 反映晶体管内可动少子存储电荷与所加偏压的关系反映晶体管内可动少子存储电荷与所
39、加偏压的关系;交流特交流特性的重要参数性的重要参数.为了形成正向电流（扩散电流），注入为了形成正向电流（扩散电流），注入P 区的电子在区的电子在P 区有区有浓度差，越靠近浓度差，越靠近PN结结浓度越大，即在浓度越大，即在P 区有电子的积累。同区有电子的积累。同理，在理，在N区有空穴的积累。区有空穴的积累。nPN结结反偏反偏时时，少子是耗尽的，此，少子是耗尽的，此时时可以不考可以不考虑虑CD (1)晶体管正向工作晶体管正向工作时时，只考，只考虑虑CDE,(2)晶体管反向工作晶体管反向工作时时，只考，只考虑虑CDC (3)晶体管工作于晶体管工作于饱饱和工作状和工作状态时态时，则则需要考需要考虑虑C
40、DE和和CDC P N内电场内电场外电场外电场 扩散电容扩散电容扩散电容扩散电容C CD D引起的问题：引起的问题：在集成晶体管中，当在集成晶体管中，当VBC正偏正偏时时，其，其CDC比比较较大，大，这这将影将影响数字集成响数字集成电电路的速度。路的速度。为为了减小了减小CDC的影响，要的影响，要设设法减小法减小集集电结电结正偏正偏时时的可的可动动少子存少子存储储的的电电荷，可以采用的措施有：荷，可以采用的措施有：n采用低电阻率的薄外延层采用低电阻率的薄外延层n减少管芯面积减少管芯面积n将晶体管控制在浅饱和将晶体管控制在浅饱和STTL状态状态n采用集电极掺金采用集电极掺金n增加复合中心以降低少
41、子的寿命增加复合中心以降低少子的寿命n采用防止集电极正偏的采用防止集电极正偏的ECL电路电路VBEVBC0饱和区饱和区正向工作区正向工作区反向工作区反向工作区截止区截止区（正偏）（正偏）（反偏）（反偏）（反反偏偏）（正正偏偏）数字电路数字电路rB1rB2 集成集成集成集成电电电电路中路中路中路中PNPPNPPNPPNP管管管管的特点：的特点：的特点：的特点：单管性能下降（单管性能下降（单管性能下降（单管性能下降（小，小，小，小，特征频率特征频率特征频率特征频率f f f fT T T T低）低）低）低）、但与、但与、但与、但与 NPN NPN NPN NPN 管构成复和管就管构成复和管就管构成
42、复和管就管构成复和管就能弥补它的缺陷能弥补它的缺陷能弥补它的缺陷能弥补它的缺陷,使用了使用了使用了使用了PNPPNPPNPPNP管使电路的性能得到了很大改善。也促管使电路的性能得到了很大改善。也促管使电路的性能得到了很大改善。也促管使电路的性能得到了很大改善。也促使了使了使了使了I I I I2 2 2 2L L L L电路得实现电路得实现电路得实现电路得实现 分类：分类：分类：分类：横向横向横向横向PNPPNP管管管管 基区扩散基区扩散基区扩散基区扩散 外延层外延层外延层外延层 纵向纵向纵向纵向PNPPNP管（管（管（管（衬低衬低衬低衬低 PNPPNP管）管）管）管）基区扩散、外延层、衬底基
43、区扩散、外延层、衬底基区扩散、外延层、衬底基区扩散、外延层、衬底 集电极接地集电极接地集电极接地集电极接地 双极集成双极集成电电路中的路中的基本器件是基本器件是NPN管管，但在模，但在模拟电拟电路中也往往路中也往往需要需要PNP管，因管，因为为集成集成电电路的工路的工艺艺主要主要 是是针对针对大量大量应应用的用的NPN晶体晶体管管设计设计的，因此在一般情况下，的，因此在一般情况下，PNP管都是在与管都是在与NPN管制管制 造工造工艺艺兼兼容的情况下制造的。容的情况下制造的。2.4 2.4 2.4 2.4 集成电路中的集成电路中的集成电路中的集成电路中的PNPPNPPNPPNP管管管管NPNNP
44、N管基区扩散的同时形成管基区扩散的同时形成管基区扩散的同时形成管基区扩散的同时形成PNPPNP管的发射区和集电区。管的发射区和集电区。管的发射区和集电区。管的发射区和集电区。PN N+隐埋层隐埋层隐埋层隐埋层N N+隐埋层隐埋层隐埋层隐埋层NP P+隔离岛隔离岛隔离岛隔离岛P PN N+ebcecbP PP PN+N+NPN管管发发射区射区扩扩散的同散的同时时形成形成PNP管的基区管的基区n n横向横向横向横向PNPPNP管的形成管的形成管的形成管的形成 工艺兼容、尽量不增加工序。由于工艺兼容的限制，工艺兼容、尽量不增加工序。由于工艺兼容的限制，工艺兼容、尽量不增加工序。由于工艺兼容的限制，工
45、艺兼容、尽量不增加工序。由于工艺兼容的限制，NPNNPN管的管的管的管的C C区作为区作为区作为区作为PNPPNP管的管的管的管的B B区。区。区。区。E E区、区、区、区、C C区掺杂相同，基区很宽无法做的区掺杂相同，基区很宽无法做的区掺杂相同，基区很宽无法做的区掺杂相同，基区很宽无法做的很窄、很窄、很窄、很窄、C C区面积不大。区面积不大。区面积不大。区面积不大。PN N+隐埋层隐埋层隐埋层隐埋层N N+隐埋层隐埋层隐埋层隐埋层NP P+隔离岛隔离岛隔离岛隔离岛P PN N+ebcecbP PP PN+N+n n寄生纵向寄生纵向寄生纵向寄生纵向PNPPNP管的形成管的形成管的形成管的形成B
46、SSCEC管管E E管管管管（1 1）横向）横向）横向）横向PNPPNP放大状放大状放大状放大状态态态态：E E管管管管导导导导通。通。通。通。（2 2）横向）横向）横向）横向PNPPNP饱饱饱饱和状和状和状和状态态态态：E E、C C 都管都管都管都管导导导导通。通。通。通。（4 4）横向）横向）横向）横向PNPPNP反向运用状反向运用状反向运用状反向运用状态态态态：C C管管管管导导导导通通通通。（3 3）横向）横向）横向）横向PNPPNP截止状截止状截止状截止状态态态态：都不：都不：都不：都不导导导导通。通。通。通。一般情况下一般情况下一般情况下一般情况下PNPPNP管工作在放大状态，管
47、工作在放大状态，管工作在放大状态，管工作在放大状态，集电极反偏，集电极反偏，集电极反偏，集电极反偏，集电极到衬底间的寄生集电极到衬底间的寄生集电极到衬底间的寄生集电极到衬底间的寄生管（管（管（管（C C管）截止管）截止管）截止管）截止,其影响相当于一个反其影响相当于一个反其影响相当于一个反其影响相当于一个反偏的结电容。偏的结电容。偏的结电容。偏的结电容。而发射极到衬底间的寄而发射极到衬底间的寄而发射极到衬底间的寄而发射极到衬底间的寄生管（生管（生管（生管（E E管）却一直处于导通状态管）却一直处于导通状态管）却一直处于导通状态管）却一直处于导通状态。BSSCEC管管E E管管管管BCjSSCE
48、E E管管管管PN N+隐埋层隐埋层隐埋层隐埋层N N+隐埋层隐埋层隐埋层隐埋层NP P+隔离岛隔离岛隔离岛隔离岛P PN N+ebcecbP PP PN+N+SPN N+隐埋层隐埋层隐埋层隐埋层N N+隐埋层隐埋层隐埋层隐埋层NP P+隔离岛隔离岛隔离岛隔离岛P PN N+ebcecbP PP PN+N+S(1)(1)横向横向横向横向PNPPNP管本身管本身管本身管本身结结结结构上的限制，构上的限制，构上的限制，构上的限制，导导导导致其致其致其致其 F F小小小小n n横向横向横向横向PNPPNP管的直流放大倍数管的直流放大倍数管的直流放大倍数管的直流放大倍数 F F 由于工艺兼容的限制，由
49、于工艺兼容的限制，由于工艺兼容的限制，由于工艺兼容的限制，NPNNPN管的管的管的管的C C区作为区作为区作为区作为PNPPNP管的管的管的管的B B区区区区；PNPPNP管管管管的的的的E E区、区、区、区、C C区与区与区与区与NPNNPN管的管的管的管的B B区掺杂浓度相同区掺杂浓度相同区掺杂浓度相同区掺杂浓度相同。PNP PNP管得基区很宽无法做的很窄；管得基区很宽无法做的很窄；管得基区很宽无法做的很窄；管得基区很宽无法做的很窄；PNP PNP管得发射区浓度低管得发射区浓度低管得发射区浓度低管得发射区浓度低PN N+隐埋层隐埋层隐埋层隐埋层N N+隐埋层隐埋层隐埋层隐埋层NP P+隔离
50、岛隔离岛隔离岛隔离岛P PN N+ebcecbP PP PN+N+S(2)(2)寄生寄生寄生寄生纵纵纵纵向向向向PNPPNP管得影响，管得影响，管得影响，管得影响，导导导导致横向致横向致横向致横向PNPPNP管管管管 F F小小小小BCjSSCEE E管管管管 E E管管管管处处处处于于于于导导导导通通通通状状状状态态态态，使使使使得得得得PNPPNP管管管管的的的的增增增增益益益益下下下下降降降降。因因因因为为为为只只只只有有有有从从从从发发发发射射射射区区区区侧侧侧侧面面面面注注注注入入入入的的的的空空空空穴穴穴穴才才才才对对对对横横横横向向向向PNPPNP管管管管其其其其的的的的电电电电