第10章模擬集成電路中的特殊元件

第十章模擬集成電路中的特殊元件內(nèi)容提要模擬IC的發(fā)展簡(jiǎn)史特殊元件的結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)、使用場(chǎng)合一．概念具有對(duì)各種模擬量進(jìn)行處理功能的集成電路，包括了數(shù)字電路以外的所有集成電路。二．分類線性電路：輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間存在線性關(guān)系，如運(yùn)放，電壓跟隨器，放大器等；非線性電路：如乘法器，比較器，穩(wěn)壓器，調(diào)制器，對(duì)數(shù)放大器等。三．特點(diǎn)①品種多，線路復(fù)雜，重復(fù)單元少；②電源電壓高（>12V）；③工藝復(fù)雜，精度要求高。四．發(fā)展概況繼數(shù)字電路之后，六十年代中期開始迅速發(fā)展，由于最初產(chǎn)品基本上局限于放大器，故稱之為線性電路，后來(lái)出現(xiàn)了許多新品種，超出了線路電路的范疇，沒(méi)有歸屬，于是，1967年國(guó)際電器委員會(huì)（IEC）正式提出了模擬集成電路的概念。以運(yùn)放為例：四十年代：電子管運(yùn)放，用于計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行各種數(shù)學(xué)運(yùn)算，運(yùn)放由此得名。五十年代：雙極型晶體管運(yùn)放。六十年代：?jiǎn)纹蛇\(yùn)放出現(xiàn)。原始型：uA702為代表，標(biāo)志：電阻負(fù)載；第一代：uA709為代表，標(biāo)志：橫向PNP管；七十年代：第二代：uA741為代表標(biāo)志：有源負(fù)載；第三代：MC1556為代表標(biāo)志：超β管八十年代：第四代：MA2900為代表標(biāo)志：雙極、MOS結(jié)合，斬波穩(wěn)零技術(shù)?！?0-1橫向PNP管一．典型結(jié)構(gòu)及制造工藝在n型外延層上，同時(shí)完成發(fā)射極和集電極的硼擴(kuò)散，然后磷擴(kuò)散給出基區(qū)引線孔，蒸鋁，反刻。

由于射區(qū)注入的少子在基區(qū)中沿襯底平行的方向流動(dòng)，故稱橫向管。PnPn+PPn+ECB

二．電學(xué)特性：

1．電流增益：從橫向PNP管的結(jié)構(gòu)可知，橫向PNP管存在兩個(gè)寄生縱向PNP管。當(dāng)橫向PNP管正向有源時(shí)：這樣：射區(qū)-基區(qū)-襯底寄生縱向PNP管正向有源；集電區(qū)-基區(qū)-襯底寄生管反向截止。由于存在寄生晶體管，嚴(yán)重地影響到橫向PNP管的電學(xué)特性，這也是它質(zhì)量不高的一個(gè)重要原因。下面采用簡(jiǎn)化模型分析橫向PNP管的HFE

。

假設(shè)：①發(fā)射區(qū)均勻摻雜，即均勻注入；②忽略n+埋層上推形成的漂移場(chǎng)影響；③橫向及縱向基區(qū)寬度均小于空穴擴(kuò)散長(zhǎng)度。利用：可得：式中：AX、AY發(fā)射結(jié)橫向（縱向）面積；

Wbx、WbY橫（縱）向基區(qū)寬度；

WeY為發(fā)射結(jié)縱向深；

WeX為發(fā)射極引線孔到發(fā)射區(qū)邊距離。當(dāng)縱向寄生管基區(qū)寬度WBY>LPB時(shí)按照一般的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：計(jì)算值β<10

Xjc（WeY

）3μmNBSRO~150NBC5Wbx8μWbY15μWbL10μ事實(shí)上，按照上述設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)制作的橫向PNP管，其實(shí)際放大倍數(shù)要大得多，目前國(guó)內(nèi)水平一般在50以內(nèi)，國(guó)外約為100。偏差的原因：

1、發(fā)射區(qū)非均勻注入；

2、n+

隱埋層上推形成對(duì)少子（空穴）縱向的阻滯區(qū)，減小了寄生縱向管的作用。提高β的途徑：1、橫向結(jié)面積盡可能大，縱向結(jié)面積盡可能小（取決于圖形設(shè)計(jì)及結(jié)深設(shè)計(jì)）；2、射區(qū)（硼）深擴(kuò)散；3、提高注入效率；4、表面鈍化（減小表面復(fù)合）；5、間隙埋層，埋層為高復(fù)合區(qū)將增加縱向基區(qū)復(fù)合電流（使Iβ增大，β下降），采用間隙埋層則是一種折衷的辦法；6、采用場(chǎng)助PNP管，外加電場(chǎng)，提高橫向發(fā)射結(jié)有效偏置。事實(shí)上，所有的這些措施都受到條件及其它元件特性的限制，在實(shí)際工藝中，往往是通過(guò)減少污染，表面吸雜與鈍化，增大硼擴(kuò)散結(jié)深來(lái)控制β。另外，由于橫向PNP管基區(qū)濃度低，發(fā)生大注入效應(yīng)（基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，大注入自建電場(chǎng)，有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)）的臨界電流密度小，且由于縱向無(wú)效注入，使其電流容量較小。一般采用最小設(shè)計(jì)尺寸時(shí)，認(rèn)為有效電流不得超過(guò)0.5～1mA。

2．擊穿特性：三種擊穿機(jī)構(gòu)：熱擊穿，隧道擊穿，雪崩擊穿對(duì)橫向PNP管，輕摻雜，屬雪崩擊穿。由于基區(qū)電阻較大，雪崩擊穿電壓較高，當(dāng)cb結(jié)反偏時(shí)，耗盡區(qū)擴(kuò)展很嚴(yán)重，以至尚未達(dá)到cb結(jié)擊穿電壓，而ce結(jié)已穿通。因此橫向PNP管的擊穿特性實(shí)際上是ce結(jié)的穿通電壓。采用突變結(jié)近似：3．頻率特性：由于基區(qū)寬度大，渡越時(shí)間長(zhǎng)，且存在寄生晶體管效應(yīng)，頻率特性較差，典型值1～2兆赫。三．橫向PNP管常用圖形兩個(gè)特點(diǎn)：

1、基區(qū)為外延層，因而基區(qū)等電位的管子可置于同一隔離島；

2、只有發(fā)射結(jié)正對(duì)著收集極的側(cè)面積才對(duì)β有貢獻(xiàn)，因而圖形設(shè)計(jì)中總是以集電區(qū)圍繞著發(fā)射區(qū)。據(jù)此，我們可以采用一個(gè)基極制作出多個(gè)發(fā)射極和集電極，也可以根據(jù)需要，以多個(gè)集電極圍取一定比例的發(fā)射區(qū)側(cè)面積，來(lái)制作β成比例的多個(gè)共基極晶體管，還可按設(shè)計(jì)要求，制作具有固定的電流放大倍數(shù)的晶體管。

1．單個(gè)橫向PNP管①圓形結(jié)構(gòu)：特點(diǎn)：發(fā)射結(jié)周界小，有利于減小復(fù)合電流，且消除了棱角電場(chǎng)。②環(huán)形結(jié)構(gòu)：特點(diǎn)：在同樣擴(kuò)散深度下，發(fā)射結(jié)側(cè)面積與縱向面積之比較大。從版圖尺寸考慮：①發(fā)射區(qū)面積要?。ㄌ岣遞T，β）；②Wbx適當(dāng)（兼顧fT，β

，VPT）；③基區(qū)引線孔靠近射區(qū)，且面積大（減小Rb）。2、多集電極橫向PNP

管特點(diǎn)：共用基、射極，各集電極電流IC

（β）之比正比于它們所正對(duì)的射區(qū)側(cè)面積之比。3、可控增益橫向PNP管特點(diǎn)：將多個(gè)集電極中的一個(gè)與基極短接形成負(fù)反饋，穩(wěn)定電流增益，此時(shí)增益由版圖定。4、多發(fā)射極，多集電極橫向PNP

綜合：1、橫向PNP管受基區(qū)寬度及寄生效應(yīng)影響，增益較低，10~50，頻率特性較差，幾MH。2、其擊穿特性受穿通電壓限制，約幾十伏。3、版圖設(shè)計(jì)采用集電區(qū)圍繞發(fā)射區(qū)，以盡量利用其有效射區(qū)側(cè)面，且采用埋層結(jié)構(gòu)。4、大電流特性較差。5、工藝與NPN管相容，簡(jiǎn)便，可簡(jiǎn)化電路，因而獲廣泛應(yīng)用?！?0-2縱向PNP管

在模擬集成電路中，在某些場(chǎng)合下，要求PNP管具有較高的耐壓和較大的電流容量。例如輸出管，要求具有額定輸出電流，耐壓大于電源電壓，這時(shí)，橫向晶體管難以勝任。在這種場(chǎng)合，我們可以選擇縱向PNP管。

一．襯底PNP管1．結(jié)構(gòu)及其制造工藝：

P型襯底作為集電極，n型外延層作為基區(qū)，硼擴(kuò)散形成發(fā)射區(qū)。2．電學(xué)特性：⑴電流增益

《晶體管原理》導(dǎo)出了NPN型均勻基區(qū)晶體管的β為：

變換到PNP管，并利用得：顯然，對(duì)于縱向PNP管來(lái)說(shuō)：

Wb較大，因而β較低；

R□e較大，注入效率不夠高；影響了電流增益。提高β的途徑：1、工藝上避免玷污，吸雜，鈍化，以提高少子壽命。2、選擇適當(dāng)?shù)幕鶇^(qū)寬度。3、加p+隱埋層，在基區(qū)形成少子的加速場(chǎng)。4、適當(dāng)調(diào)整硼擴(kuò)散濃度及外延層電阻率。⑵擊穿特性縱向PNP管的集電結(jié)實(shí)際上就是隔離結(jié)，一般擊穿電壓在100V以上，設(shè)計(jì)中不需考慮。⑶大電流特性與橫向PNP管類似，襯底PNP管的基區(qū)寬度大，基區(qū)濃度低，容易發(fā)生發(fā)射極電流集邊效應(yīng)和基區(qū)電導(dǎo)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，不同的是，襯底PNP管沒(méi)有寄生晶體管，但其集電區(qū)濃度較低，容易發(fā)生有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)，因此其電流容量也較小，一般取10μA/μm。⑷頻率特性由于沒(méi)有寄生晶體管的影響，襯底PNP管的頻率特性優(yōu)于橫向PNP管，一般為10M左右。

fT決定于Wb3．襯底PNP的圖形①由額定電流決定發(fā)射極條長(zhǎng)，可取梳狀；②基區(qū)包圍發(fā)射區(qū)，以降低Rb；③集電極從隔離槽引出。

二．三重?cái)U(kuò)散PNP管

1．結(jié)構(gòu)與制造工藝在普通NPN管的基礎(chǔ)上再擴(kuò)p+構(gòu)成PNP結(jié)構(gòu)（發(fā)射區(qū)p+，基區(qū)n+，集電區(qū)p）

2．特點(diǎn)：①具有雙重隔離性能，因而所有這種晶體管可置于同一島上；②n+濃度已很高，由于受固濃度限制，p+區(qū)域的濃度難以提高到獲得滿意的發(fā)射注入效率；③基區(qū)重?fù)诫s，少子壽命低；④圖形尺寸大，寄生電容大。這樣，既增加了工序，又難以得到滿意的晶體管，因而極少采用?！?0-3超β管模擬集成電路中，差動(dòng)作為一個(gè)基本單元電路，其質(zhì)量直接影響到電路的性能。回顧差分對(duì)電路，有兩個(gè)重要指標(biāo)Ri，IiO

差模輸入電阻：顯然從兩端看到的差模阻抗應(yīng)為單管的阻抗的兩倍。（差模輸入時(shí)相當(dāng)于兩管be結(jié)串聯(lián)）于是：故：失調(diào)電流：可見(jiàn)，在保證一定的工作電流（IC）時(shí)，IB越小，差分對(duì)的指標(biāo)越高。這可從兩方面達(dá)到。一是線路設(shè)計(jì)，如達(dá)林頓復(fù)合管輸入，場(chǎng)效應(yīng)管輸入。二是工藝措施，增大輸入管β值，由此產(chǎn)生超β管。所謂超β管，一般認(rèn)為β>1000，當(dāng)IC幾十uA時(shí)，Ib為nA數(shù)量級(jí)。

一．提高的主要途徑對(duì)緩變基區(qū)晶體管：第一項(xiàng)表示了注入效率，從實(shí)際考慮，受固社會(huì)濃度限制，R□e/R□b不能無(wú)限制減小，當(dāng)時(shí)，由于重?fù)诫s效應(yīng)，有效濃度反而降低，且俄歇復(fù)合迅速增加，使注入效率降低。第二項(xiàng)表示基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)，通常NPN管Wb<1μ，故這一項(xiàng)對(duì)β影響很小。第三項(xiàng)表示基區(qū)表面復(fù)合，第四項(xiàng)表示發(fā)射結(jié)勢(shì)壘區(qū)復(fù)合，可以從設(shè)計(jì)及工藝上將其影響減小到最小。分析可知，對(duì)第三項(xiàng)的要求，超β管與普通NPN管相同，這就意味著超β管的關(guān)鍵仍在注入效率與基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)。我們將第一項(xiàng)再作變換

顯然：①盡可能減小Wb，不但使提高了基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)而且同時(shí)提高了注入效率，可大大地提高β。②在足夠大的基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)的前提下，降低基區(qū)摻雜濃度，提高注入效率。基于此，形成二種類型的超β管

穿通型超β管1、設(shè)計(jì)思想：減小Wb，以降低BVcbc、BVceo為代價(jià)來(lái)獲得高β值，由于Wb很小，當(dāng)cb結(jié)反偏時(shí)，勢(shì)壘區(qū)很快擴(kuò)展過(guò)基區(qū)，而造成ce穿通，故稱穿通型。2、工藝：

a：兩次磷擴(kuò)散在普通NPN管的射區(qū)加一次磷擴(kuò)散，將射區(qū)推深，減小Wb。

b：兩次硼擴(kuò)散超β管的硼擴(kuò)散與普通NPN管硼擴(kuò)散分別進(jìn)行，使超β管的硼擴(kuò)為淺結(jié)。

3、穿通型超管特點(diǎn)a：基寬調(diào)制效應(yīng)明顯，特性曲線呈掃帚形；b：穿通電壓低，約2~7V；c：為減小基區(qū)及發(fā)射結(jié)勢(shì)壘表面復(fù)合，在版圖設(shè)計(jì)上，通常采用圓形發(fā)射區(qū)，及大面積金屬覆蓋；d：線路設(shè)計(jì)中，通常使超β管bc結(jié)偏置為接近0V。這樣首先是保護(hù)其不被擊穿，其次降低了基寬調(diào)制效應(yīng)，再就是避免了集電結(jié)漏電流Icbo，提高了溫度穩(wěn)定性。

4、離子注入超β管a：設(shè)計(jì)思想：降低基區(qū)雜質(zhì)濃度，提高注入效率。b：工藝首先離子注入p-，高溫推深，形成基區(qū)，再擴(kuò)硼，在周圍形成p+環(huán)，一方面避免p-表面反型造成ce穿通，另一方面作基區(qū)的歐姆接觸。擴(kuò)磷形成發(fā)射區(qū)。c：特點(diǎn)：①由于采用離子注入，成本較高，但重復(fù)性好，工藝上容易控制。②只要基區(qū)少子壽命較長(zhǎng)，Wb可較大，穿通電壓比較高。

§10-4隱埋齊納二極管模擬集成電路中，有些基本單元電路，如基準(zhǔn)源電路，電平位移電路等，常常利用一個(gè)二極管的反向特性，來(lái)獲得一個(gè)比較穩(wěn)定的電壓，這種二極管稱為齊納二極管。直流電路中，當(dāng)前一級(jí)的工作點(diǎn)發(fā)生偏移時(shí)，會(huì)被放大傳輸?shù)较乱患?jí)，因此，許多多級(jí)放大電路中包含有內(nèi)穩(wěn)壓源，提供穩(wěn)定的工作點(diǎn)。在這些電路對(duì)齊納二極管的共同的要求是：

a：動(dòng)態(tài)內(nèi)阻小，以避免大電容退耦；

b：擊穿電壓穩(wěn)定；

c：噪聲小。對(duì)于普通齊納二極管，其特性并不令人滿意。大家知道，不良的表面狀態(tài)會(huì)使PN結(jié)擊穿電壓降低。普通齊納二極管PN結(jié)的一部分暴露于表面，受到SiO2中電荷及界面態(tài)的影響，因此擊穿往往在表面首先發(fā)生，形成軟擊穿，且擊穿電壓不穩(wěn)定。由此出現(xiàn)了隱埋齊納二極管，它的設(shè)計(jì)思想是：將PN隱埋于體內(nèi)，從而不受表面狀態(tài)的影響。1、擴(kuò)散法首先進(jìn)行深硼擴(kuò)散p+，再按正常工藝擴(kuò)硼，覆蓋p+，擴(kuò)磷覆蓋，這樣，相當(dāng)于兩個(gè)PN結(jié)并聯(lián)，由于濃度的差異，體內(nèi)PN結(jié)首先擊穿。2、離子注入法：先按正常工藝淡硼擴(kuò)散及磷擴(kuò)散，離子注入β離子覆蓋n+并連通p。由于注入離子峰值在體內(nèi)，因而體內(nèi)先擊穿。3、版圖設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用圓形結(jié)構(gòu)，避免棱角電場(chǎng)造成局部擊穿。§10-5集成電路中的電容器一、結(jié)電容反偏PN結(jié)具有與結(jié)相關(guān)聯(lián)的耗盡層電容；正偏的PN結(jié)具有與結(jié)相關(guān)聯(lián)的擴(kuò)散電容?？疾煲粋€(gè)PN的等效電路：正偏時(shí)，電容兩端呈低阻抗，顯然無(wú)法使用；反偏時(shí)，主要是CT，gI，RS起作用，電容兩端呈高阻抗，顯然我們要求與結(jié)電容相關(guān)的PN結(jié)具有較大的CT

，較小的RS和gI。模擬集成電路中，be結(jié)電容量最大，但由于Wb小，Rb大，Q值不高，實(shí)用價(jià)值不大。cs結(jié)單位面積電容量最小，也不適用，cb結(jié)電容量適中，串聯(lián)電阻不大（20Ω）采用最多。1、bc結(jié)電容零偏時(shí)

2、當(dāng)要求容量較大時(shí)，可采用p+n+并聯(lián)結(jié)構(gòu)。零偏時(shí)耐壓4.5V3、結(jié)電容的特點(diǎn)：

a．具有極性，只能使用于反偏狀態(tài)；

b．串聯(lián)電阻較大，Q值不高；

c．存在反偏漏電流，溫度特性差；

d．電容量隨電壓變化。

二．MOS電容器1、結(jié)構(gòu)：在隔離島上擴(kuò)磷形成下極板，以鋁膜作為上極板，SiO2作為介質(zhì)，由此稱為MOS電容。對(duì)于MOS電容器的分析可直接引用《半導(dǎo)體物理》的結(jié)果。但是在這里，n+濃度非常高，一般近似認(rèn)為電容量不變。2、特點(diǎn)：

a．無(wú)極性；b．耐壓高；

c．精度高；d．串聯(lián)電阻小，Q值高；

e．面積大，成品率較低。三、薄膜電容器薄膜電容器實(shí)際上是平板電容器，一般限于需要較大電容量時(shí)使用。平板電容器的電容量與介質(zhì)材料及其厚度有關(guān)，采用薄膜電容器，可以自由選擇介質(zhì)材料，因而比之MOS電容具有更大的靈活性，缺點(diǎn)是增加工序?！?0-6薄膜電阻器

在集成電路中，由于制作方便，一般采用硼擴(kuò)散電阻，有時(shí)根據(jù)電路設(shè)計(jì)要求，也采