第二章集成電路中的晶體管及其寄生ppt課件

1、第2章 集成電路中的晶體管及其寄生效應(yīng)信息工程學(xué)院李薇薇2.1理想本征集成雙極晶體管的埃伯斯理想本征集成雙極晶體管的埃伯斯-莫爾模型莫爾模型一、要點(diǎn)一、要點(diǎn)n通過(guò)隔離把硅片分成一定數(shù)目的相互絕緣的隔離區(qū)；n在各個(gè)隔離區(qū)制作晶體管，電阻等元件；n制作互連線，把各個(gè)元件按照一定功能連接起來(lái)。 n多維效應(yīng)集成電路中的雙極晶體管為四層三結(jié)結(jié)構(gòu)，各電極均從上面引出，而且各結(jié)面積不同。 二、寄生晶體管作用分析二、寄生晶體管作用分析（1）NPN工作于飽和區(qū)或反向工作區(qū)（數(shù)字集成電路）：VBCNPN0，VBEPNP0，PNP管的發(fā)射結(jié)正偏，PNP管處于正向工作狀態(tài)。（2）NP

2、N處于截止區(qū)或正向工作區(qū)（模擬集成電路）：VBCNPN0，VBEPNP0，PNP管的發(fā)射結(jié)反偏，寄生PNP管截止。 結(jié)論：寄生的結(jié)論：寄生的PNP管管 NPN工作于飽和區(qū)或反向工作區(qū)嚴(yán)重影響集成電路的工作。1. NPN工作于截止區(qū)或正向工作區(qū)寄生PNP截止。三、三、EM模型模型 如果令I(lǐng)30或ISS0，就可得出三層二結(jié)結(jié)構(gòu)NPN晶體管的EM方程 ：2.2集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng)集成雙極晶體管的有源寄生效應(yīng) 假定隔離結(jié)始終處于反偏，并取晶體管的參數(shù)如下； tFtFVVVVFeeV/1, 0對(duì)EM模型作簡(jiǎn)化： PN結(jié)正偏工作時(shí)，PN結(jié)反偏工作時(shí)，在電流疊加時(shí)只計(jì)算exp ( V F / V t

3、)項(xiàng)即可以忽略反偏電流，當(dāng)全部結(jié)都反偏時(shí)，只考慮ISS項(xiàng)VSC總是小于零，所以11, 0/tRVVReV01/SSVVSSIeItSC2.2.1 NPN管工作于正向工作區(qū)和截止區(qū)的情況管工作于正向工作區(qū)和截止區(qū)的情況nNPN管工作于正向工作區(qū)和截止區(qū)時(shí)，NPN管的BC結(jié)壓降VBC-NPN 0 ，亦即PNP管的BE結(jié)壓降VBE-PNP 0 ；n因?yàn)镻NP管的BC結(jié)壓降VBC-PNP =VSC 0 ，所以寄生PNP管截止。此時(shí)IS = -ISS 0 。n寄生PNP管的存在對(duì)NPN管的電流基本上沒(méi)有影響，只是增加了IB及IC中的反向漏電同時(shí)增加一項(xiàng)襯底漏電流IS 。n在模擬集成電路中，NPN管一般工

4、作在正向工作區(qū)，所以寄生PNP管的影響可以忽略。2.2.2 NPN管工作于反向工作區(qū)的情況管工作于反向工作區(qū)的情況 NPN管工作于反向工作區(qū)時(shí)各結(jié)的電壓情況如下：n對(duì)于NPN管，VBE-NPN 0 ；n對(duì)于PNP管，VBE-PNP = VBC-NPN 0 ，VBC-PNP =VSC 0 n 此時(shí)寄生PNP管工作在正向工作區(qū)。分析：寄生PNP對(duì)IE及IB基本沒(méi)有影響，但使反向NPN管的“發(fā)射機(jī)電流”（IC）減少了 。說(shuō)明：寄生PNP管導(dǎo)通的結(jié)果是，使相當(dāng)大的一股反向NPN管的“發(fā)射極電流”作為無(wú)用電流IS而流入襯底。) (SRSFRSFIII等于n減少PNP的影響減少寄生PNP管正向運(yùn)用時(shí)的共基

5、極短路電流增益 采用摻金工藝和埋層工藝。n摻金增加大量復(fù)合中心而使少子壽命 大大下降，n埋層使寄生PNP管的基區(qū)寬度WB大大增加，且埋層上擴(kuò)散在寄生PNP管基區(qū)形成的減速場(chǎng)，使少子的基區(qū)渡越時(shí)間 增加。 SFPB2.2.3 NPN管工作于飽和區(qū)的情況管工作于飽和區(qū)的情況 數(shù)字集成電路中的NPN管工作在飽和區(qū)。各結(jié)電壓情況如下： 在這種情況下寄生PNP管工作在正向工作區(qū)，EM方程為： 減少寄生PNP管的影響，就要減少 和增大增大 采用肖特基二極管（SBD）對(duì)BC結(jié)進(jìn)行箝位，使VBC下降為0.5V左右。SFVV令 利用晶體管可逆 特性，可將各有用電流和襯底電流之比表示如下：2.3集成雙極晶體管的無(wú)

6、源寄生效應(yīng)集成雙極晶體管的無(wú)源寄生效應(yīng)n無(wú)源寄生效應(yīng)集成集體管中存在著電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，Cj，CD和從晶體管有效基區(qū)到晶體管各引出端之間的歐姆體電阻。 2.3.1 集成集成NPN晶體管中的寄生電阻晶體管中的寄生電阻 1、發(fā)射極串連電阻rESn 發(fā)射區(qū)體電阻； 發(fā)射極金屬和硅的接觸電阻n發(fā)射區(qū)體電阻很小（發(fā)射區(qū)為N擴(kuò)散區(qū)）主要考慮 n計(jì)算公式：nSE發(fā)射極接觸孔面積；RC硅與發(fā)射極金屬的歐姆接觸系數(shù)（可查表） 2、集電極串聯(lián)電阻、集電極串聯(lián)電阻rCSn集成晶體管的集電極串聯(lián)電阻rCS大于分立晶體管的集電極串聯(lián)電阻（因?yàn)榧删w管的集電極是從表面引出的） rCS與IC和VBC有關(guān)要精確計(jì)算rCS很困難

7、，主要有兩個(gè)原因： 在大信號(hào)工作情況下發(fā)生發(fā)射極電流的集邊效應(yīng)，使電流不是均勻地流過(guò)集電結(jié)，即rCS與IC有關(guān)。1. VBC變化所引起的耗盡層寬度的變化，也會(huì)使rCS發(fā)生變化。（1）rC1的計(jì)算在進(jìn)行rC1的計(jì)算時(shí)，假定其圖形是一個(gè)上下底為矩形且相互平行的錐體，其上底為有效集電結(jié)面積Sc.eff，即Sc.eff SE(發(fā)射結(jié)面積)，并作以下近似：上底、下底備為等位面；錐體內(nèi)的電流只在垂直方向流動(dòng)；在上、下面上的電流分布是均勻的。n這樣結(jié)構(gòu)的電阻可用公式求得： n公式的適用范圍：n 不能再認(rèn)為電流再錐體內(nèi)是垂直流動(dòng)的，此時(shí)再計(jì)算rC1時(shí)，應(yīng)該 來(lái)代替實(shí)際中的bL和aW，不然所求得的電阻值會(huì)偏低。

8、n平行錐體的厚度T可用下式來(lái)近似估算： （2）rC2的計(jì)算因?yàn)殡娏饔杉娊Y(jié)垂直下來(lái)后轉(zhuǎn)角流人埋層，所以取拐角的電阻為1/2的薄層電阻值，因而在計(jì)算rC2的長(zhǎng)度時(shí)，可以計(jì)算從發(fā)射區(qū)接觸孔中心到集電極接觸孔中心的長(zhǎng)度LE-C即可（3）rC3的計(jì)算rC3也是一個(gè)錐體，在版圖設(shè)計(jì)時(shí)，掩模上集電極接觸區(qū)(N+區(qū))的三邊與埋層的三邊是重合的，只是在發(fā)射區(qū)一邊埋層的長(zhǎng)度很長(zhǎng)。根據(jù)rC1的估算方法，對(duì)于這一邊的長(zhǎng)度，是以集電極N+擴(kuò)散層邊緣再加1T來(lái)處理。根據(jù)已知的數(shù)據(jù)可得到rC3錐體的高度T為WBL基區(qū)寬度，RS-BL拐角的薄層電阻要說(shuō)明的是在以上的計(jì)算中忽略了以下幾點(diǎn)（4）減小rCS的方法在rCS中起主要

9、作用的是rC2和rC3。工藝設(shè)計(jì)上：可采用加埋層的方法以減小rC2，在滿足工作電壓的要求情況下減小和采用深N集電極接觸擴(kuò)散以減小rC3，但要增加一塊掩模版，并在基區(qū)擴(kuò)散前增加一次N深擴(kuò)散。在版圖設(shè)計(jì)上，電極順序采用BEC排列來(lái)減小LEC，以減小rC2，采用雙集電極或馬蹄形集電極圖形來(lái)減小rC2，但芯片面積及寄生電容增大了。3、基區(qū)電阻、基區(qū)電阻rBn從基極接觸孔到有效基區(qū)之間存在相當(dāng)大的串聯(lián)電阻；n集成晶體管的各電極都由表面引出，所以其基極電流平行于發(fā)射結(jié)和集電結(jié)之間，是橫向流動(dòng)的；n由于rB的存在，在大注人情況下會(huì)引起發(fā)射極電流的集邊效應(yīng)，而且影響模擬電路中的高額增益和噪聲性能?；鶇^(qū)電阻由三

10、部分組成： rB1為發(fā)射區(qū)擴(kuò)散層下面的那部分基區(qū)(稱內(nèi)基區(qū))的電阻； rB2為發(fā)射區(qū)擴(kuò)散層邊緣到基極接觸孔邊緣間的外基區(qū)的電阻； rB3包括電極金屬和硅的接觸電阻以及基極接觸孔下實(shí)際流過(guò)基極電流的那部分基區(qū)的電阻。 計(jì)算的困難：n晶體管的基區(qū)寬度很??；n影響rB1的因素很多n是晶體管的有源區(qū)WE，LE為發(fā)射區(qū)的寬度和長(zhǎng)度（2）rB2的計(jì)算在不考慮發(fā)射區(qū)的橫向擴(kuò)散及集電結(jié)、發(fā)射結(jié)的耗盡層擴(kuò)展的影響時(shí)，可以用一般計(jì)算薄層電阻的公式，即式中： WE-B為發(fā)射區(qū)掩模孔邊線與基極接觸掩?？走吘€之間的距離； LE為發(fā)射區(qū)掩?？缀突鶚O接觸掩?？椎钠骄L(zhǎng)度； RSB為基區(qū)擴(kuò)散層的薄層電阻。（3） rB3的計(jì)算

11、 外基區(qū)表面的雜質(zhì)濃度很高，且發(fā)射區(qū)掩?？缀突鶚O接觸掩?？字g的距離基極 電流主要流經(jīng)外基區(qū)的表面，因而rB3中體電阻的影響很小 rB3主要是電極金屬與基區(qū)的接觸電阻rBC ； rB3遠(yuǎn)小于rB1、 rB2通常忽略不計(jì)2.3.2 集成集成NPN管中的寄生電容管中的寄生電容 分類： 與PN結(jié)有關(guān)的耗盡層勢(shì)壘電容Cj； 與可動(dòng)載流子在中性區(qū)的存儲(chǔ)電荷有關(guān)的擴(kuò)散電容CD。 電極引線的延伸電極電容Cpad，一般情況下Cpad很小，可忽略不計(jì)。1、PN結(jié)勢(shì)壘電容Cj利用勞倫斯沃納曲線；n梅耶等針對(duì)典型的集成電路工藝，計(jì)算了各種結(jié)的零偏單位面積結(jié)電容，可以用來(lái)快速計(jì)算各類集成電路PN結(jié)勢(shì)壘電容。2、擴(kuò)散電

12、容CD反映晶體管內(nèi)可動(dòng)少子存儲(chǔ)電荷與所加偏壓的關(guān)系PN結(jié)反偏少子耗盡，CD不予考慮，只考慮正偏的CDn正向工作：只需考慮CDEn反向工作：只需考慮CDCn飽和工作：CDE、CDC都要考慮。 2.4集成雙極晶體管的無(wú)源寄生效應(yīng)集成雙極晶體管的無(wú)源寄生效應(yīng)n雙極集成電路中的基本器件是NPN管，但在模擬電路中也往往需要PNP管，如運(yùn)算放大器的輸入級(jí)、輸出級(jí)的有源負(fù)載等都經(jīng)常使用PNP管。因?yàn)榧呻娐返墓に囍饕轻槍?duì)大量應(yīng)用的NPN晶體管設(shè)計(jì)的，因此在一般情況下，PNP管都是在與NPN管制造工藝兼容的情況下制造的，這樣制得的PNP管必然小、fT低。雖然PNP管的單管性能不如NPN管，但在集成電路中由于

13、使用了PNP管，而使電路的性能得到了很大的改善，而且橫向PNP管的問(wèn)世，也促使了I2L電路的實(shí)現(xiàn)。n在集成電路中常用的PNP管主要有兩大類：橫向PNP管和襯底PNP管。 2.4.1橫向PNP管 n橫向PNP的特點(diǎn)：BVEBO高，這主要是由于xjc深高之故；小，這是由于工藝限制基區(qū)寬度不可能太小，又加上有縱向寄生PNP的作用；頻率響應(yīng)差；臨界電流ICr小。 2）橫向PNP管本身結(jié)構(gòu)上的限制其橫向平均基區(qū)寬度不可能做得太小，橫向PNP管的最小橫向基區(qū)寬度WBL-min不可能設(shè)計(jì)得很小。發(fā)射極的注入效率低。表面復(fù)合影響大。 （2）橫向PNP管的特征頻率fTn橫向PNP管的fT較小，一般為(15)MH

14、z，比模擬集成電路中的NPN管幾乎小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。橫向PNP管fT小的原因如下：橫向PNP管的有效平均基區(qū)寬度WBL大；埋層的抑制作用，使折回集電極的少子路程增加；空穴的擴(kuò)散系數(shù)只有電子擴(kuò)散系數(shù)的13。橫向PNP管在共發(fā)射極接法時(shí)其襯底結(jié)電容蛛和發(fā)射結(jié)電容Cjs是并聯(lián)的，也會(huì)引起fT下降。n為使fT提高可采取以下措施：n增加結(jié)深xjc；n減小LE，即只要能滿足電流容量的要求，發(fā)射區(qū)應(yīng)做成最小幾何尺寸，n提高工藝精度以降低WBL。在與NPN管制造工藝兼容的前提下，降低外延層摻雜濃度，提高橫向PNP發(fā)射區(qū)(也即NPN管的基區(qū))摻雜濃度NEPNP。2.4.2襯底PNP管 n 襯底PNP管的制作工藝與N

15、PN管的制作工藝完全兼容，在進(jìn)行NPN管基區(qū)擴(kuò)散的同時(shí)形成了襯底PNP管的發(fā)射區(qū)、其集電區(qū)則是整個(gè)電路的公共襯底，所以只有利用PN結(jié)隔離工藝，才能制造襯底PNP管。 2.5 集成二極管集成二極管 2.6 肖特基勢(shì)壘二極管（肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）和肖特基箝位）和肖特基箝位晶體管（晶體管（SCT）2.6.1 肖特基勢(shì)壘二極管肖特基勢(shì)壘二極管SBD的反向飽和電流大，約為21011A，而一般NPN管的IES10-16，ICS10-15A，ISS10-13A。SBD的正向?qū)▔航敌?，約比PN結(jié)的0.10.2V。n另外，在小注入時(shí)，SBD是多子導(dǎo)電器件，所以沒(méi)有PN結(jié)中的少于存儲(chǔ)問(wèn)題，從而使得當(dāng)外加電

16、壓改變時(shí)，其響應(yīng)速度快。 2.6.2 肖特基箝位晶體管 2.7 MOS集成電路中的有源寄生效應(yīng)集成電路中的有源寄生效應(yīng) n一種場(chǎng)區(qū)寄生一種場(chǎng)區(qū)寄生MOSFET：一條鋁線跨接兩個(gè)相鄰的擴(kuò)散區(qū)時(shí)，就形成了一個(gè)以A，B為源、漏，以C為柵的場(chǎng)區(qū)寄生MOSFET。n由于擴(kuò)散區(qū)A，B和鋁線C上的電壓是相互獨(dú)立變化的，當(dāng)鋁線C上的電壓使鋁線下的襯底反型形成溝道時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致A，B間有電流流通，而使電路失效或參數(shù)變壞。為防止場(chǎng)區(qū)寄生MOSFET的導(dǎo)通，必須提高開(kāi)啟電壓。2.7.1 場(chǎng)區(qū)寄生場(chǎng)區(qū)寄生MOSFET n另一種場(chǎng)區(qū)寄生另一種場(chǎng)區(qū)寄生MOSFET：硅柵MOS電路中，多晶硅連線設(shè)計(jì)不當(dāng)，或由于光刻對(duì)準(zhǔn)偏差，

17、使多晶硅跨接兩個(gè)擴(kuò)散區(qū)，而形成以擴(kuò)散區(qū)為源、漏，以多晶硅為柵的兩一種場(chǎng)區(qū)寄生MOSFET。n由于鋁線下的場(chǎng)氧化層要比多晶硅下的場(chǎng)氧化層厚（因?yàn)樵诙嗑Ч韫饪毯筮€要生長(zhǎng)一層氧化層），所以以多晶硅為柵的場(chǎng)區(qū)寄生MOSFET更不能忽視。 提高場(chǎng)開(kāi)啟電壓的兩種辦法：提高場(chǎng)開(kāi)啟電壓的兩種辦法：加厚場(chǎng)氧化層的初始厚度，并嚴(yán)格控制隨后加工中的腐蝕量。但不能加厚太多，因?yàn)閳?chǎng)氧化層太厚對(duì)后續(xù)工藝如刻孔、布線等會(huì)有影響，采用等平面工藝可以改善這些影響。在場(chǎng)區(qū)注入(或擴(kuò)散)與襯底同型的雜質(zhì)，以提高襯底表面濃度但摻入的雜質(zhì)的且要適當(dāng)。在滿足場(chǎng)開(kāi)啟要求的前提下。盡量減少摻雜酌量，以防止寄生電容的增加或擊穿電壓約下降。 2

18、.7.2 寄生雙極性晶體管寄生雙極性晶體管在MOS集成電路中有兩類雙極型晶體管： 以正常的MOSFET的源、漏和襯底為E、C、B的寄生三極管； 由場(chǎng)區(qū)MOSFET的源、漏和襯底形成的寄生三極管。防止這種寄生效應(yīng)的辦法： 寄生雙極型晶體管的“基區(qū)寬度”不要太小，但這由電路設(shè)計(jì)規(guī)則決定。 使P型討底保持在負(fù)電位或零電位。 2.7.3 寄生寄生PNPN效應(yīng)效應(yīng)在P阱CMOS電路中，以N型襯底為基區(qū)，P源區(qū)或漏區(qū)為發(fā)射區(qū)P阱為集電區(qū)形成一個(gè)PNP寄生三極管；而以P阱為基區(qū)，N源區(qū)或漏區(qū)為發(fā)射區(qū)，N型襯底為集電區(qū)又形成另一個(gè)寄生NPN三極管。Rs，Rw為襯底和阱的電阻。因此CMOS電路不可避免地構(gòu)成了P

19、NPN可控硅(SCR)結(jié)構(gòu)。當(dāng)CMOS集成電路接通電源后，在一定的外界因素的觸發(fā)下，會(huì)出現(xiàn)負(fù)阻電流特性，它和PNPN器件的閘流特性很相似，這種現(xiàn)象被稱為PNPN效應(yīng)（自鎖效應(yīng)），它不僅會(huì)造成電路功能混亂，而且往往會(huì)引起電路損壞。 自鎖往往發(fā)生在芯片中某一局部區(qū)域，有兩種不同的情況：n一種是自鎖只發(fā)生在外圍與輸入輸出有關(guān)的地方，n另一種是自鎖可能發(fā)生在芯片的任何地方(如輻射引起的自鎖)，在使用中遇到更多的是前一種情況。1、自鎖產(chǎn)生的條件、自鎖產(chǎn)生的條件n在通常情況下，VDD與VSS之間有一個(gè)反偏的阱襯底結(jié)隔離，只有一個(gè)很小的二極管漏電流在其問(wèn)流過(guò)。n一定的外界因素觸發(fā)下(如大的電源脈沖干擾或輸入

20、脈沖干擾，特別是在射線瞬時(shí)輻照下)，VDD和VSS之間會(huì)感生一個(gè)橫向電流IRS，而使P溝MOSFET源區(qū)P周圍的N襯底電位低于P源區(qū)，當(dāng)這個(gè)電位差達(dá)到一定程度后(0.7V)，會(huì)導(dǎo)致P襯底結(jié)正偏，少數(shù)載流子空穴從P源區(qū)注入襯底。如果P源區(qū)接近P阱，則一部分空穴被襯底反偏結(jié)收集，寄生的橫向PNP管導(dǎo)通，n同樣，阱內(nèi)的橫向電流IRW會(huì)使寄生的縱向NPN管導(dǎo)通。這兩個(gè)寄生三極管都導(dǎo)通時(shí)，就形成一個(gè)正反饋閉合回路，此時(shí)即使外界的觸發(fā)因素消失，在VDD和VSS之間椰油電流流動(dòng)，這就是所謂的“自鎖現(xiàn)象”。n如果電源能提供足夠大的電流，則由于自鎖效應(yīng)，電路將最終因電流過(guò)大而燒毀。 若 則Ig的反饋量 。這樣，兩個(gè)寄生三極管同時(shí)工作，形成正反饋回路，加深了寄生可控硅導(dǎo)通，最終因電流過(guò)大而燒毀管芯。 產(chǎn)生自鎖的基本條件有三個(gè)：產(chǎn)生自鎖的基本條件有三個(gè)： 外界因素使兩個(gè)寄生三極管的EB結(jié)處于正向偏置； 兩個(gè)寄生三極管的電流放大倍數(shù) 電源所提供的最大電流大于寄生可控硅導(dǎo)通所需要的維持電流IH 。2、消除自鎖現(xiàn)象的幾項(xiàng)措施、消除自鎖現(xiàn)象的幾項(xiàng)措施（1）消除自鎖現(xiàn)象的版圖設(shè)計(jì)n由產(chǎn)生自鎖的基本條件可知，減小電阻RS和RW，降低寄生三極管的電流放大倍數(shù)，可有效地提高抗自鎖的能力。為此，在版圖設(shè)計(jì)時(shí)采用隔離環(huán)、偽收集極，加多電源接觸孔和地接觸孔的數(shù)目，加粗電