模擬集成電路三極管

模擬集成電路三極管Dr.JianFang.UESTC三極管三極管的基本工作原理三極管集成實(shí)現(xiàn)的各種結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)三極管模型（大信號，小信號）Dr.JianFang.UESTC模擬集成電路中常見的三極管npn管橫向pnp管縱向pnp管超增益npn管（β≥1000）Dr.JianFang.UESTC三極管的基本工作原理Dr.JianFang.UESTCDr.JianFang.UESTCNPN管P-subP+P+N+N+PwellN+BLN+PNPEBCSBECSNPN管寄生PNP管問題:如何減小寄生管的影響?如何表征該器件?Dr.JianFang.UESTC如何減小寄生管的影響?NPN管N+PNPBECS寄生PNP管VbeVbc飽和區(qū)反向工作區(qū)截止區(qū)正向工作區(qū)EBCSDr.JianFang.UESTC結(jié)論:當(dāng)NPN工作于飽和區(qū)或方向工作區(qū)時(shí),寄生PNP處于正向工作狀態(tài).嚴(yán)重影響電路工作.一般地,模擬集成電路中,NPN要求工作于截止區(qū)和正向工作區(qū).此時(shí),寄生PNP的影響基本可以避免.Dr.JianFang.UESTC如何表征該器件?N+PNPBECSNPN管寄生PNP管采用四層三結(jié)的EM模型:αF,αR為NPN管正/反向共基電流增益αSF,αSR為寄生PNP正/反向共基電流增益Dr.JianFang.UESTC如何減小寄生管的影響?(續(xù))NPN管工作于正向工作區(qū)和截止區(qū)

寄生管可以忽略NPN管工作于反向工作區(qū)時(shí)這里:Dr.JianFang.UESTCNPN管工作于飽和區(qū)Dr.JianFang.UESTC改進(jìn)方案摻金工藝降低壽命.埋層結(jié)構(gòu) 基區(qū)寬度增加,引入減速場,減小渡越時(shí)間.Dr.JianFang.UESTC采用肖特基二極管對BC結(jié)鉗位.改進(jìn)方案有用電流與襯底電流之比:增大:減小:Dr.JianFang.UESTC無源寄生效應(yīng)P-subP+P+N+N+PwellN+BLEBCSP-subP+N+N+PwellN+BLEBCSDr.JianFang.UESTC設(shè)計(jì)要點(diǎn):P-subP+N+N+PwellN+BLEBCS

Pwell的濃度和深度外延的濃度和厚度加埋層做穿透橫向距離發(fā)射結(jié)面積/發(fā)射結(jié)周長大電流下發(fā)射結(jié)采用條形/梳狀結(jié)構(gòu)Dr.JianFang.UESTC肖特基鉗位晶體管Dr.JianFang.UESTC超增益npn管（β≥1000）Dr.JianFang.UESTC集成電路中的pnp型管Dr.JianFang.UESTC橫向pnp管Lateralpnptransistor小高頻率響應(yīng)差臨界電流小Dr.JianFang.UESTC橫向pnp晶體管的主要特點(diǎn)(提要)：

BVEBO高，主要是由于xjc深，epi高之故。?

電流放大系數(shù)小，主要原因：

由于工藝限制，基區(qū)寬度不可能太小；

縱向寄生pnp管將分掉部分的發(fā)射區(qū)注入電流，只有側(cè)壁注入的載流子才對橫向pnp管的有貢獻(xiàn)。

基區(qū)均勻摻雜，無內(nèi)建加速電場，主要是擴(kuò)散運(yùn)動。發(fā)射極注入效率較低表面遷移率低于體內(nèi)遷移率。

基區(qū)的表面復(fù)合作用。Dr.JianFang.UESTC橫向pnp直流放大倍數(shù)Dr.JianFang.UESTC寄生效應(yīng)ECBDr.JianFang.UESTC設(shè)計(jì)考慮:在圖形上減小發(fā)射區(qū)面積與周長之比.(與NPN設(shè)計(jì)相反).減小表面電流引起的基極電流增加.采用集電極包圍發(fā)射極的結(jié)構(gòu)增大結(jié)深采用埋層工藝小電流應(yīng)用Dr.JianFang.UESTC頻率響應(yīng)差:1.平均有效基區(qū)寬度大，基區(qū)渡越時(shí)間長。2.空穴的擴(kuò)散系數(shù)僅為電子的1/3。

3.埋層的抑制作用,使得折回集電極的少子路徑增加.改進(jìn)方案:

1.增加結(jié)深2.減小LE,發(fā)射區(qū)做最小尺寸.3.降低WBL,4.降低外延濃度,提高發(fā)射區(qū)濃度.(與PNP要求有矛盾)Dr.JianFang.UESTCDr.JianFang.UESTC發(fā)生大注入時(shí)的臨界電流小

橫向pnp的基區(qū)寬度大，外延層Nepi低，空穴擴(kuò)散系數(shù)低。解決方案:

采用多管并聯(lián)Dr.JianFang.UESTC設(shè)計(jì)要求:在圖形上減小發(fā)射區(qū)面積與周長之比.(與NPN設(shè)計(jì)相反).減小表面電流引起的基極電流增加.采用集電極包圍發(fā)射極的結(jié)構(gòu);增大結(jié)深;提高發(fā)射極濃度;采用埋層工藝;小電流應(yīng)用;減小基區(qū)寬度.采用并聯(lián)結(jié)構(gòu).Dr.JianFang.UESTC其他的橫向pnp管:多集電極橫向pnp管:Dr.JianFang.UESTC其他的橫向pnp管:達(dá)林頓復(fù)合pnp管:Dr.JianFang.UESTC

縱向pnp管(襯底pnp管Substratepnptransistor)

它以P型襯底作集電區(qū)，集電極從濃硼隔離槽引出。N型外延層作基區(qū)，用硼擴(kuò)散作發(fā)射區(qū)。由于其集電極與襯底相通，在電路中總是接在最低電位處，這使它的使用場合受到了限制，在運(yùn)放中通常只能作為輸出級或輸出緩沖級使用。Dr.JianFang.UESTC縱向pnp管（襯底pnp晶體管）Dr.JianFang.UESTC襯底pnpDr.JianFang.UESTC

縱向pnp管主要特點(diǎn)：

縱向pnp管的C區(qū)為整個(gè)電路的公共襯底，直接最負(fù)電位，交流接地。使用范圍有限，只能用作集電極接最負(fù)電位的射極跟隨器。晶體管作用發(fā)生在縱向，各結(jié)面較平坦，發(fā)射區(qū)面積可以做得較大，工作電流比橫向pnp大。因?yàn)橐r底作集電區(qū)，所以不存在有源寄生效應(yīng)，故可以不用埋層。(一定不要用埋層)Dr.JianFang.UESTC外延層作基區(qū)，基區(qū)寬度較大，且硼擴(kuò)散p型發(fā)射區(qū)的方塊電阻較大，因此基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)和發(fā)射效率較低，電流增益較低。由于一般外延層電阻率epi較大，使基區(qū)串聯(lián)電阻較大?？刹扇、B短接的方式，使外基區(qū)電阻=0，同時(shí)減小了自偏置效應(yīng)，抑制趨邊效應(yīng)，改善電流特性；E、B短接還有助于減少表面復(fù)合的影響，提高電流增益。Dr.JianFang.UESTC

提高襯底pnp管電流增益的措施

降低基區(qū)材料的缺陷，減少復(fù)合中心數(shù)目，提高基區(qū)少子壽命。

適當(dāng)減薄基區(qū)寬度，采用薄外延材料。但同時(shí)應(yīng)注意，一般襯底pnp管與普通的npn管做在同一芯片上，pnp基區(qū)對應(yīng)npn管的集電區(qū)，外延過薄，將導(dǎo)致npn管集電區(qū)在較低反向集電結(jié)偏壓下完全耗盡而穿通。適當(dāng)提高外延層電阻率，降低發(fā)射區(qū)硼擴(kuò)散薄層電阻，以提高發(fā)射結(jié)注入效率。

在襯底和外延層之間加p+埋層，形成少子加速場，增加值。注意在縱向pnp管中不能加n+埋層，這樣將形成少子減速場，降低值。Dr.JianFang.UESTC自由集電極縱向pnp管Dr.JianFang.UESTC晶體管的模型Dr.JianFang.UESTC大信號模型Dr.JianFang.UESTCDr.JianFang.UESTCVADr.JianFang.UESTC小信號模型Dr.JianFang.UESTCDr.JianFang.UESTCDr.JianFang.UESTCSummaryofactive-devicepapametersCollectorcurrentTransconductanceInputresistanceOutputresistanceCollector-baseresistanceBased-charging