第2章集成電路中的晶體管及其寄生效應教材

半導體集成電路第二章集成電路中的晶體管及其寄生效應2024/3/192第2章集成電路中的晶體管及其寄生效應雙極晶體管的單管結構及工作原理理想本征雙極晶體管的EM模型集成雙極晶體管的有源寄生效應集成雙極晶體管的無源寄生效應集成NPN晶體管的常用圖形及其特點橫向PNP管和襯底PNP管集成二極管肖特基勢壘二極管和肖特基鉗位晶體管MOS集成電路中的有源寄生效應MOS晶體管的單管結構及工作原理MOS晶體管的常用圖形2024/3/1932.1雙極晶體管的單管結構及工作原理雙極器件：兩種載流子（電子和空穴）同時參與導電發(fā)射區(qū)N+集電區(qū)N基區(qū)P發(fā)射結收集結發(fā)射極集電極基極BECnpN+結構特點：1.發(fā)射區(qū)摻雜濃度最大，集電極區(qū)次之，基區(qū)最小

2.基區(qū)寬度很窄一下以下討論晶體管的四個工作區(qū)2024/3/194NNPECB當發(fā)射結正偏（VBE>0)，集電結反偏（VBC<0)時，為正向工作區(qū)。電子流空穴流Ie=Ic+Ib令則共基極短路電流增益共射極短路電流增益2024/3/195正向工作區(qū)（npn管為例）發(fā)射結正偏，發(fā)射極發(fā)射電子，在基區(qū)中擴散前進，大部分被集電極反偏結收集：

(小于且接近于1）具有電流放大作用：

2024/3/196當發(fā)射結正偏（VBE>0)，集電結也正偏（VBC>0)時(但注意，VCE仍大于0)，為飽和工作區(qū)。NNPECB1.發(fā)射結正偏，向基區(qū)注入電子，集電結也正偏，也向基區(qū)注入電子（遠小于發(fā)射區(qū)注入的電子濃度），基區(qū)電荷明顯增加（存在少子存儲效應），從發(fā)射極到集電極仍存在電子擴散電流，但明顯下降。2.不再存在象正向工作區(qū)一樣的電流放大作用，即不再成立。3.對應飽和條件的VCE值，稱為飽和電壓VCES，其值約為0.3V，深飽和時VCES達0.1～0.2V。

2024/3/197當VBC>0

，VBE<0時，為反向工作區(qū)。

即原來的發(fā)射極做集電極用，原來的集電極做發(fā)射極用。其工作原理類似于正向工作區(qū)，但由于集電區(qū)的摻雜濃度低，因此其發(fā)射效率低，（反向工作時的發(fā)射極短路電流增益）很?。s為0.02）。當發(fā)射結反偏（VBE<0),集電結也反偏（VBC<0)時，為截止區(qū)。NNPECB反向工作區(qū)2024/3/198共發(fā)射極的直流特性曲線三個區(qū)域：飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)2024/3/1992.2理想本征集成雙極晶體管的EM模型P-SiN-SiIVA:結面積,D:擴散系數(shù),L:擴散長度,pn0,np0:平衡少子壽命熱電壓.T=300K,約為26mv正方向VI(mA)ISO

兩層一結二極管(單結晶體管)其I-V特性方程為：反向飽和電流2024/3/1910+-VD正向偏置（閉合）-+反向偏置（斷開）二極管的等效電路模型2024/3/1911

兩結三層三極管(雙結晶體管)NPNBECIEICIBIDEIDCV1V2理想本征集成雙極晶體管的EM模型假設p區(qū)很寬，忽略兩個PN結的相互作用，則：2024/3/1912實際雙極晶體管的結構由兩個相距很近的PN結組成：基區(qū)寬度遠遠小于少子擴散長度，相鄰PN結之間存在著相互作用發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結收集結發(fā)射極集電極基極2024/3/1913

兩結三層三極管(雙結晶體管)理想本征集成雙極晶體管的EM模型NPNBECIEICIBI1I2V1V2NPN管反向運用時共基極短路電流增益NPN管正向運用時共基極短路電流增益2024/3/1914BJT的三種組態(tài)四層三結結構(多結晶體管)E(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNP平面圖P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEB剖面圖EBCSN+PNP等效結構圖等效電路圖為什么這個結是發(fā)射結？因為發(fā)射區(qū)的摻雜濃度大于集電區(qū)的摻雜濃度在實際的集成電路中，為了保證各隔離島之間的絕緣，襯底都接最負電位，即寄生晶體管的集電結始終處于反偏狀態(tài)。因此寄生晶體管只能工作在正向工作區(qū)或者截止區(qū)。四層三結晶體管的工作狀態(tài)圖如下所示。VBEVBC0NPN管飽和區(qū)PNP管正向工作區(qū)NPN管反向工作區(qū)PNP管正向工作區(qū)NPN管正向工作區(qū)PNP管截止區(qū)NPN管截止區(qū)PNP管截止區(qū)四層三結結構中晶體管的工作狀態(tài)VBEVBC0NPN管飽和區(qū)PNP管正向工作區(qū)NPN管反向工作區(qū)PNP管正向工作區(qū)NPN管正向工作區(qū)PNP管截止區(qū)NPN管截止區(qū)PNP管截止區(qū)2024/3/1917由圖可知：當VBC大于零時，寄生PNP管的發(fā)射結正偏，有電流流過襯底結，影響電路的正常工作。當VBC小于零時，寄生PNP管的發(fā)射結反偏，PNP管截止，對電路的正常工作無影響。在模擬集成電路中，NPN管一般工作在截止區(qū)或正向工作區(qū)，此時寄生PNP管處于截止區(qū)，不影響電路的正常工作。在數(shù)字集成電路中，NPN管經(jīng)常可能處于飽和區(qū)或反向工作區(qū)，此時寄生PNP管處于正向工作區(qū)。因此，對于數(shù)字集成電路來說，減小寄生PNP管的影響非常重要。2024/3/1918

三結四層結構(多結晶體管)的I-V關系BCppnnIEESIBICISI1I2I3V1V2V3NPN管反向運用時的共基極短路電流增益NPN管正向運用時的共基極短路電流增益PNP管反向運用時的共基極短路電流增益PNP管正向運用時的共基極短路電流增益2024/3/1919理想本征集成雙極晶體管的EM模型根據(jù)基爾霍夫定律，有：ppnnIEECSIBICISI1I2I3V1V2V3IE=I1IB=I1+I2IC=-(I2+I3)IS=I3

三結四層結構(多結晶體管)的I-V關系由上述方程得：2024/3/1920理想本征集成雙極晶體管的EM模型這就是理想本征集成雙極晶體管的EM模型

三結四層結構(多結晶體管)的I-V關系聯(lián)立上述方程得：2024/3/1921如令上式中的Is設置為零（即不存在襯底隔離結），則變成三層兩結結構的NPN管EM方程。如下所示：令：則，在NPN管工作在正向工作區(qū)時，Vce小于零，IR約等于零，可忽略不計。此時：如使Ic接近于Ie，則希望越大越好。2024/3/1922集成雙極晶體管的有源寄生效應做以下幾個假設:晶體管參數(shù)EM模型簡化§2.3集成雙極晶體管的有源寄生效應本節(jié)討論寄生PNP管對NPN管的直流特性的影響。2024/3/1923C(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p)

雙極晶體管的四種工作狀態(tài)VBEVBC飽和區(qū)反向工作區(qū)截止區(qū)正向工作區(qū)(正偏)(反偏)(正偏)(反偏)ppnnIEECSIBICISI1I2I3V1V2V32024/3/1924VBEVBC飽和區(qū)反向工作區(qū)截止區(qū)正向工作區(qū)(正偏)(反偏)(正偏)(反偏)C(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p)NPN管工作于正向工作區(qū)和截止區(qū)的情況VBC<0npn管VEB_pnp<0VS=0VCB_pnp<0截止正向工作區(qū)和截止區(qū)寄生晶體管的影響可以忽略pnp管2024/3/1925應用EM模型簡化方法得到：則，此時的EM模型簡化為：2024/3/1926VEB_pnp=VBC_npn>0VS=0VCB_pnp<0pnp管VBC>0npn管VBE<0集成雙極晶體管的有源寄生效應C(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p)

NPN管工作于反向工作區(qū)的情況正向工作區(qū)反向工作區(qū)寄生晶體管對電路產(chǎn)生影響VBEVBC飽和區(qū)反向工作區(qū)截止區(qū)正向工作區(qū)(正偏)(反偏)(正偏)(反偏)2024/3/1927集成雙極晶體管的有源寄生效應NPN管工作于反向工作區(qū)的EM方程(VBE(V1)<0,VBC(V2)>0)四層三結結構的EM模型：化簡再化簡2024/3/1928集成雙極晶體管的有源寄生效應NPN管工作于反向工作區(qū)的EM方程寄生管的影響是減小了集電極電流作為無用電流流入襯底采用埋層和摻金工藝00減小寄生影響的方法減小的方法2024/3/1929VEB_pnp=VBC_npn>0VS=0VCB_pnp<0pnp管VBC>0npn管飽和工作區(qū)VBE>0集成雙極晶體管的有源寄生效應C(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p)NPN管工作于飽和工作區(qū)的情況正向工作區(qū)寄生晶體管對電路產(chǎn)生影響VBEVBC飽和區(qū)反向工作區(qū)截止區(qū)正向工作區(qū)(正偏)(反偏)(正偏)(反偏)2024/3/1930

NPN管工作于飽和工作區(qū)的EM方程作業(yè)：推導書上20頁，式（2.13）-（2.15）減小有源寄生效應的措施P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEB增加n+埋層①加大了寄生PNP晶體管的基區(qū)寬度②形成了寄生PNP晶體管基區(qū)減速場E(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNP2024/3/1932§2.4集成雙極晶體管的無源寄生效應P+P+N+PN+-BLN-epiCBEN+發(fā)射極串聯(lián)電阻集電極串聯(lián)電阻基極串聯(lián)電阻2024/3/1933集成雙極晶體管的無源寄生效應rES=rE,c+rE,b

發(fā)射極串聯(lián)電阻rESrE,crE,b發(fā)射區(qū)為N+擴散,雜質濃度在1020cm-3以上,所以發(fā)射區(qū)的體電阻很小,可忽略不計。因此串聯(lián)電阻主要由金屬與硅的接觸電阻決定。SE:發(fā)射極接觸孔的面積RC:為硅與發(fā)射極金屬的歐姆接觸系數(shù)。可查表得出。對于Si和Al接觸，其歐美接觸系數(shù)為（1-9)*10-6Ω·cm2.E由發(fā)射極金屬和硅的接觸電阻發(fā)射區(qū)的體電阻發(fā)射極串聯(lián)電阻很小，一般可以忽略。2024/3/1934rCS=rC1+rC2+rC3

集電極串聯(lián)電阻rCS集成雙極晶體管的無源寄生效應rC1LWTaWbL上底為有效集電結面積SC,eff=SE并作以下近似:1.上底、下底各為等位面；2.錐體內(nèi)的電流只在垂直方向流動；3.在上下面的電流是均勻的。EC忽略引出端N+接觸區(qū)的接觸電阻和體電阻，則晶體管的集電極串聯(lián)電阻為：rc1的計算假定其圖形是一個上下底為矩形且相互平行的錐體。如下圖所示由上述結構可得：35其中：ρ為材料的電阻率；T為錐體高度；W，L為頂面矩形的寬和長；a，b為底面矩形與頂面矩形相應寬和長的比值。上述公式的使用范圍：aW≤W+2T；bL≤L+2TT為錐體高度，T=Tepi-xjc-xmc-TBL-up-tepi-ox當aW＞W(wǎng)+2T；bL＞L+2T時，需重新計算錐體底面的寬、長值。重新計算的方法為：用aW=W+2T和bL=L+2T重新計算a，b的值在帶入rc1公式中求解。注意2024/3/1936

集電極串聯(lián)電阻rCS—rc2的計算集成雙極晶體管的無源寄生效應rC2LE-CEC由于電流由集電結垂直下來后轉角流入埋層，因此埋層電阻即為rc2電阻。其計算公式為：RS-BL為埋層擴散層的薄層電阻；LE-C

為發(fā)射區(qū)接觸孔中心到集電極接觸孔中心的距離；WBL為埋層寬度。2024/3/1937

集電極串聯(lián)電阻rCS—rc3的計算集成雙極晶體管的無源寄生效應LWTaWbLrC3ECrc3也是一個錐體。在版圖設計上，其掩模上集電極N+接觸區(qū)的三邊與埋層的三邊是重合的。只是在發(fā)射區(qū)一邊的埋層長度很長。（即上底為集電極接觸孔面積，下底為部分埋層）根據(jù)rc1的計算方法，對于這一邊的長度是以集電極N+擴散層邊緣再加1T來處理的。其圖形如下所示。其計算公式為：2024/3/1938rCS=rC1+rC2+rC3

集電極串聯(lián)電阻rCS集成雙極晶體管的無源寄生效應rC3rC2rC1EC實際應用中，VBC<0，隨著∣VBC∣的增加，導致rc1中的錐體高度下降，rc1減少。在飽和工作區(qū)時，產(chǎn)生電導調制效應，使rc1變小。因此在估算集電極串聯(lián)電阻時主要考慮rc2和rc3.減小rcs的方法（1）在工藝設計上，可采用加埋層的方法一減小rc2。采用深N+集電極接觸擴散（將集電極接觸擴散區(qū)與埋層擴散通）以減小rc3.（2）在版圖設計上，電極順序采用BEC排列，以減小LE-C，從而減小rc2.也可采用雙集電極或馬蹄形集電極來減小rc2.2024/3/1939集電極寄生電阻的另外一種表述形式增加n+埋層、穿透磷擴散（即將集電極接觸區(qū)與埋層擴散通）、薄外延等措施可有效地減小集電極串聯(lián)電阻

。wcwedcelelchchbR1=

epi*hclc*wcR5=

epi*hble*weR2=wclc*R?BL*13R4=wele*R?BL*13R3=R?BL*dce(lc+le)/2R1R5R4R2R3

附：拐角薄層電阻的計算公式推倒

dV(X)=I(X)*R?*dxWWLII(X)X0ILxI(X)=IL*XReff

=R?*13LWP=

I(X)*dV(X)

0L=

R?*()2*X2*0LILdxW=R?**I213LW=Reff

*I2課后練習題：2.2基極金屬和硅的接觸電阻以及基極接觸孔下的基區(qū)電阻2024/3/1942rB=rB1+rB2+rB3

無源寄生效應之----基區(qū)電阻rB集成雙極晶體管的無源寄生效應EBrB3rB2rB1發(fā)射區(qū)擴散層下的基區(qū)電阻稱為內(nèi)基區(qū)。發(fā)射區(qū)擴散層邊緣到基極接觸孔邊緣的外基區(qū)電阻，稱為外基區(qū)。由于基極電阻的存在，在大注入的情況下，會引起發(fā)射極電流的集邊效應，且會影響模擬電路中的高頻增益和噪聲性能?；鶇^(qū)電阻的表達式為：2024/3/1943R1R3R2

基極串聯(lián)電阻主要由R2、R3決定（R1可以忽略）。

無源寄生效應之----基區(qū)電阻rB2024/3/1944基區(qū)擴散電阻—rb1的計算要精確的計算rb1比較困難，因為晶體管的基區(qū)寬度很小，有很多的寄生效應。在小注入情況下，用平均功率法估算的rb1的表達式為：其中：WE和LE分別為發(fā)射區(qū)的寬度和長度。RSBI為內(nèi)基區(qū)的薄層電阻，可查歐文曲線求得。

無源寄生效應之----基區(qū)電阻rBEBrB3rB2rB12024/3/1945基區(qū)擴散電阻—rb2的計算在不考慮發(fā)射區(qū)的橫向擴散及集電結、發(fā)射結的耗盡層擴散的影響時，可用一般計算薄層電阻的公式來計算rb2.其中：WE-B為發(fā)射區(qū)掩?？走吘€與基極接觸孔邊線的平均長度。LE為發(fā)射區(qū)掩模孔和基區(qū)掩?？椎缕骄L度。RSB為基區(qū)擴散層的薄層電阻。

無源寄生效應之----基區(qū)電阻rBEBrB3rB2rB12024/3/1946基區(qū)擴散電阻—rb3的計算由于外基區(qū)表面的摻雜濃度很高，且WE-B≥XjE，可使rb3遠小于rb1和rb2，通?？珊雎圆挥嫛p小rB的方法工作點設計上，采取交大的IC，以減小rB。在版圖設計上，可采用雙基區(qū)條或梳狀電極以減小rB。

無源寄生效應之----基區(qū)電阻rBEBrB3rB2rB12024/3/1947寄生電容包括：發(fā)射結電容、集電結電容、隔離結電容。PN結電容包括：

PN結勢壘電容

PN結擴散電容。底面和側面電容。

無源寄生效應之----寄生電容2..5

集成NPN晶體管常用圖形及特點（補充內(nèi)容）結構簡單、面積小寄生電容小電流容量小基極串聯(lián)電阻大集電極串聯(lián)電阻大P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEB（1）單基極條形（2）雙基極條形與單基極條形相比：基極串聯(lián)電阻小電流容量大面積大寄生電容大N–-epiP+PN+N+CEBP-SubP+BN+

（3）雙基極雙集電極形與雙基極條形相比：集電極串聯(lián)電阻小面積大寄生電容大N–-epiP+PN+N+CEBP-SubP+BN+N+C

（4）雙射極雙集電極形與雙基極雙集電極形相比：集電極串聯(lián)電阻小面積大寄生電容大N–-epiP+PN+N+CP-SubP+N+N+CBN+EE（5）馬蹄形電流容量大集電極串聯(lián)電阻小基極串聯(lián)電阻小面積大寄生電容大（6）梳狀2.6橫向PNP管的結構和有源寄生效應EBCSPNPPN橫向PNP管正向有源、反向有源、飽和三種工作模式下，寄生的縱向PNP管對其工作都有影響。B(N-)PNPE(P)C(P)P-subP-subTT2T1ECBNP-SUBN-BLPPN+P+P+橫向PNP管的電學特性-11.橫向PNP管電流增益低原因：（1）存在縱向寄生PNP管的影響一般情況下，T處于正向工作區(qū)。為了保證隔離結始終處于反偏狀態(tài)，襯底端總是接最低電位，即兩個寄生PNP管的集電結始終處于反偏狀態(tài)。此時（T正向工作區(qū)）T1管截止，T2管正向工作。它降低了橫向PNP管的電流增益。（2）橫向PNP管本身結構上的限制（1）橫向平均基區(qū)寬度不可能做的太?。üに嚿系南拗疲?；（2）發(fā)射極的注入效率低；（發(fā)射極摻雜濃度低）（3）表面復合影響大（橫向器件）B(N-)PNPE(P)C(P)P-subP-subTT2T1ECBNP-SUBN-BLPPN+P+P+B(N-)PNPE(P)C(P)P-subP-subTT2T1提高電流增益的措施：①降低

e/b

（即增大Ne/Nb，或者說是增大發(fā)射極注入效率）。

②降低AEV/AEL(即減小發(fā)射區(qū)底面積與側面積之比)③設n+埋層（可提高縱向PNP管的基區(qū)寬度，降低寄生PNP管的電流增益）④改善表面態(tài)（降低表面復合）⑤減小WbL（減小橫向基區(qū)寬度），加大Wbv（減低載流子復合）ECBNP-SUBN-BLPPN+P+P+橫向PNP管的電學特性-2、32.擊穿電壓低，由c-e穿通電壓決定，突變結近似：

VPT=qNBWbL2/2

o

si（NB?。?.

特征頻率低

(受WbL和寄生PNP影響)ECB橫向PNP管的電學特性---特征頻率的討論提高特征頻率的措施如下：（1）增加結深Xjc（減小折回路徑）；（2）減小LE，在滿足要求下，發(fā)射區(qū)做成最小幾何尺寸。（3）提高工藝精度，降低基區(qū)平均寬度。（4）提高發(fā)射區(qū)摻雜濃度。（提高注入效率）特征頻率低的原因（即總得渡越時間長）：（1）橫向PNP管的有效平均基區(qū)寬度大（導致基區(qū)渡越時間長）；（2）埋層的抑制作用，使折回集電極的少子路程增加（T變長）；（3）空穴的擴散系數(shù)小于電子的擴散系數(shù)；（擴散時間長）2024/3/19594.橫向PNP管開始大注入時的臨界電流Icr小由于橫向PNP的DPB（空穴擴散系數(shù)）小，NB小，AEL小，平均基區(qū)寬度大，因此與NPN管相比，橫向PNP管的臨界電流小。橫向PNP管的電學特性--4在橫向PNP中，ρb>ρc,且為均勻基區(qū)，有：橫向PNP管的常用圖形結構簡單，面積小ECBECB1.單個橫向PNP管2.多集電極橫向PNP管常用在比例電流源電路中可使各集電極的電流正比于所對應的有效發(fā)射區(qū)側面積C1C2C3C1C2BBEE橫向PNP管的常用圖形C1C2C3EBBC1C2E2024/3/19623.大電流增益的復合PNP管在某些應用中，要求PNP管的電流增益大，此時可以采用復合PNP管。其電路如下：復合管的版圖示意圖如下所示：復合ＰＮＰ管的電流增益為：橫向PNP管的常用圖形4.可控增益橫向PNP管多集電極結構的應用BECCBE(Co)IBOIBICOICICIBβ==ICIBO+ICO≈ICICO=ACACO橫向PNP管的常用圖形5.多發(fā)射極多集電極橫向PNP管基極等電位的橫向PNP管共用一個隔離區(qū)橫向PNP管的常用圖形6.大容量橫向PNP管橫向PNP管的常用圖形課后練習題：2.3和2.62.7

襯底PNP管的結構和特性P-SubN–-epiP+P+PECBN+由于橫向PNP管的電流增益、特征頻率及臨界電流都小，只能運用于小電流的情況。襯底PNP管可以運用于大電流的情況。利用PN結隔離工藝即可制造襯底PNP管。其橫截面圖和版圖示意圖如右圖所示。P-SubN–-epiP+P+PECBN+當襯底PNP管的BE短接時的結構如下1.

縱向結構2.襯底(集電極)電位固定

(最低電位)3.不能加n+埋層最好增加p+埋層4.無有源寄生5.基區(qū)(外延層)上最好覆蓋n+擴散層P-SubN–-epiP+P+PECBN+襯底PNP管的結構特點---1襯底PNP管的結構特點---2(1)襯底PNP管的集電區(qū)是整個電路的公用襯底，在直流應用時接最負電位，交流應用時接地電平。所以只能用作集電極接最負電位的射極跟隨器。（2）其晶體管發(fā)生在縱向，所以又稱縱向PNP管。其臨界電流Icr比橫向PNP管的大。（3）因為襯底作為集電區(qū)，所以不存在有源寄生效應，故可以不用埋層。（4）基區(qū)電阻大，特別是外基區(qū)電阻大。減小外基區(qū)電阻的方法就是將B、E結短接。B、E結短接的好處還有：可減小自偏置效應；有助于減小表面復合的影響。（5）襯底PNP管的集電極串聯(lián)電阻和集電結電容較大。P-SubN–-epiP+P+PECBN+襯底PNP管的電流增益和特征頻率襯底PNP管由于沒有寄生PNP管的存在，所以其電流增益和特征頻率都比橫向PNP管大。但比一般的NPN管還是小很多。襯底PNP管的常用圖形2.8

集成二極管集成電路中的二極管，多數(shù)是通過對集成晶體管的不同接法而形成的。所以不增加新的工藝。集成二極管包括BC短接二極管、CE短接二極管、BE短接二極管、集電極開路二極管，發(fā)射極開路二極管以及單獨BC結（工藝上不制作發(fā)射極）二極管等幾種。各種二極管的特性比較見表2.2。最常用的集成二極管為BC短接二極管和單獨BC結二極管。2.8.1一般集成二極管VF=VBEFBV=BVBEBC短接，寄生PNP管截止，無寄生PNP管效應。存儲時間短，正向壓降低。P-SubN–-epiP+P+PN+N+EBC1.B-C短接2.B-E短接VF=VBCFBV=BVBC存在寄生PNP管效應P-SubN–-epiP+P+PN+N+EBC2.8.1一般集成二極管3.C-E短接VF=VBCFBV=BVBE有寄生PNP管效應P-SubN–-epiP+P+PN+N+EBC2.8.1一般集成二極管4.C開路VF=VBEFBV=BVBE有寄生PNP管P-SubN–-epiP+P+PN+N+EBC2.8.1一般集成二極管5.E開路VF=VBCFBV=BVBC有寄生PNP管P-SubN–-epiP+P+PN+N+EBC2.8.1一般集成二極管6.單獨BC結VF=VBCFBV=BVBC有寄生PNP管P-SubN–-epiP+P+PN+BC2.8.1一般集成二極管7.單獨SC結VF=VSCFBV=BVSCCj

=Cs

Cp=0無寄生PNP管N–-epiP+P+N+CP-Sub2.8.1一般集成二極管2.9齊納二極管①動態(tài)電阻小②擊穿電壓穩(wěn)定③噪聲小VIVBOP-SubN–-epiP+P+PN+N+EBC一般齊納二極管用BE結制作，即使用反向工作的BE短接二極管缺點：在表面處兩側濃度都最高，且易受表面影響

1.齊納二極管的特性要求BE短接齊納二極管的缺點：（1）具有較大的正溫度系數(shù)，熱穩(wěn)定性差。（2）內(nèi)阻較大（3）擊穿電壓的離散型大。因為擊穿電壓由多次擴散而成，精度差。（4）輸出噪聲電壓大（因為擊穿發(fā)生在表面，受表面影響大。）由于集成齊納二極管存在以上缺點，所以產(chǎn)生了次表面齊納管。2.9齊納二極管2.兩種隱埋齊納二極管（次表面齊納二極管）P-SubN–-epiP+P+PEBCP+N+N+（1）用擴散法形成的次表面齊納二極管。形成方法：在N+擴散區(qū)內(nèi)加一道深P+擴散，使擊穿發(fā)生在N+和P+的接觸圈上。特點：噪聲低，穩(wěn)定性高。2.9齊納二極管2.兩種隱埋齊納二極管

（次表面齊納二極管）P-SubN–-epiP+P+PPN+P+（2）用離子注入法形成的次表面齊納管制作方法：在P型基區(qū)擴散和N+發(fā)射區(qū)擴散后，增加一次硼離子注入而行成。特點：摻雜濃度和深度精確，可以得到較精確的擊穿電壓。2.9齊納二極管課后練習題：2.52.10

肖特基勢壘二極管（SDB）和肖特基鉗位晶體管由半導體物理知識可知，Al和N型Si接觸形成的肖特基勢壘具有類似于PN結的整流特性，其I-V特性關系為：其中，IDS為反向飽和電流，其表達式為：式中：R*為有效理查森常數(shù)；

T為絕對溫度表示的結溫；

ΦB為金屬與半導體之間的接觸勢壘高度

S為SBD的面積1.SDB2024/3/1986SBD的特點：1.正向壓降低

應減小串聯(lián)電阻2.開關時間短

多子器件3.反向擊穿電壓高

應減小邊緣電場（P型環(huán)、覆蓋電極，如右圖剖面圖所示）P-SubN–-epiP+P+N+ABABpp1.SDBSBD的等效電路圖中：Rs為SBD的串聯(lián)電阻；

Cjd為耗盡層電容SBD兩端的實際直流電壓為：其中：VMS（IF）為SBD兩端壓降的實際值由于Vth基本保持不變，因此主要通過調節(jié)Rs和IF來減小VMS（IF）。1.SDBSBD與普通二極管的區(qū)別（1）SBD的反向飽和電流IDS大，約高2-5個數(shù)量級、（2）SBD的正向導通壓降Vth小，約為0.45V，一般PN結的約為0.6-0.7V。（3）正向溫度系數(shù)不同。SBD的溫度系數(shù)小，約為-1.4mV/℃一般PN結的溫度系數(shù)大，約為-（1.6~2.0）mV/℃（4）小注入時，SBD是多子導電器件，所以沒有PN結的少子存儲問題，響應速度快。1.SDB2.肖特基晶體管（SCT）在TTL電路中，開關管對NPN管的基極電路的要求是矛盾的：在管子導通時，希望導通速度快，所以要求基極電流大，管子迅速進入飽和區(qū)，基區(qū)存在大量的超量存儲電荷。當管子由導通變截止時，又要求基區(qū)的超量存儲電荷少，以使管子盡快的脫離飽和進入截止狀態(tài)。用SCT代替一般的NPN管，可以有效地解決上述矛盾。2.10

肖特基勢壘二極管（SDB）和肖特基鉗位晶體管肖特基晶體管（SCT）的結構P-SubN–-epiP+P+PN+N+EBC等效符號肖特基晶體管（SCT）抗飽和原理（工作特點）npn管正向導通或截止時，

VBC<0,SBD截止IBICISBDIbIc2.

npn管反向導通或飽和時，VBC>0，可使SBD導通，對IB分流，VBC被箝位在SBD的導通壓降上。阻止了NPN管進入深飽和狀態(tài)，提高了電路速度。βIBS=ICβ(IB-ISBD）S’=IC+ISBDβIbIc=課后練習題：2.42024/3/19932.11

MOS集成電路中的有源寄生效應場區(qū)寄生MOS管的兩種結構2.11.1場區(qū)寄生MOS管（場開啟MOS管）2024/3/1994n+psubstraten+Ln+psubstraten+L措施：1.加厚場氧化層的厚度

2.增加場區(qū)注入工序為了防止場區(qū)集成MOS管的導通必須提高場開啟電壓。（1）在MOS集成電路中，當一條鋁線跨接兩個相鄰的擴散區(qū)時就形成了一個以兩個擴散區(qū)為源、漏，以鋁線為柵極的場區(qū)寄生MOS管。其結構如下圖所示。場區(qū)寄生MOS管的兩種結構（2）在硅柵MOS電路中，若多晶硅連線設計不當（本意是用多晶硅做連線而不是要形成多晶硅柵），或由于光刻對準偏差，使多晶硅跨接兩個擴散區(qū)，而形成以擴散區(qū)為源、漏，以多晶硅為柵的另一種場區(qū)寄生MOS管。場區(qū)寄生MOS管的兩種結構其結構如右圖所示。P-SUBN+N+多晶硅SiO2寄生MOS管2024/3/19961.加厚場氧化層厚度（采用等平面工藝，減小表面臺階）2.采用場區(qū)注入與襯底同型的雜質，提高襯底表面濃度3.控制有源區(qū)間距提高場開啟電壓的方法：為了防止場區(qū)寄生MOS管的導通必須提高場開啟電壓。2024/3/1997在MOS集成電路中有兩種類型的寄生雙極型晶體管（1）以正常的MOS管的源、漏和襯底為E、C、B的寄生三極管。（2）由場區(qū)MOS管的源、漏和襯底為E、C、B的寄生三極管。2.11.2

寄生雙極晶體管P-subnnnnN-subpppp2.11

MOS集成電路中的有源寄生效應2024/3/1998寄生雙極晶體管n+psubstraten+Ln+psubstraten+L防止措施：1.增大寄生晶體管“基區(qū)寬度”

2.P型襯底接地或負電位2024/3/1999（1）P襯底接最低電位

N襯底接最高電位（2）使MOS管源漏區(qū)與襯底形成的二極管不處于正偏狀態(tài).消除寄生雙極晶體管影響的措施：2.11.3

寄生可控硅—閂鎖效應(寄生PNPN效應）在CMOS電路中，寄生的雙極型晶體管可能會產(chǎn)生非常嚴重的后果。在P阱CMOS中，會形成PNPN可控硅結構。PNPN效應當CMOS集成電路接通電源后，在一定的外界因素觸發(fā)下，會出現(xiàn)電路的負阻特性，它和PNPN器件的閘流特性很相似，這種現(xiàn)象被稱為PNPN效應或者latch-up效應，或者閂鎖效應，或閘流效應。2.11

MOS集成電路中的有源寄生效應1.寄生可控硅結構自鎖產(chǎn)生的條件通常情況下，VDD和GND之間存在一個阱-襯底隔離結，只有一個很小的漏電流流過。在一定外因觸發(fā)下，阱內(nèi)會產(chǎn)生一個橫向電流IRw，由于Rw的存在，使P+區(qū)周圍的N阱的電位低于p+區(qū)，當這個電位差大于0.7V時，導致p+-N阱結正偏，有空穴由p+區(qū)注入N阱。導致寄生PNP管導通。同樣，在VDD和GND之間存在一個橫向電流Rs，由于Rs的存在，使N+區(qū)的電壓低于P型襯底，當這個電位差大于0.7V，導致P襯底-N+結導通，最終導致寄生NPN管導通。VDDGNDVoViP-SubN-阱