[工学]半导体集成电路第1章

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1、第一章集成电路中的晶体管及寄生效应内容提要1.集成电路的基本概念、历史、发展2.集成电路中的元器件结构3.E－M模型4.有源寄生效应及对策5.无源寄生效应6.集成电路中的晶体管模型第1章集成电路中的晶体管及寄生效应为什么要研究寄生效应？1、IC中各元件均制作于同一衬底，注定了元件与元件之间，元件与衬底之间存在寄生效应。2、某些寄生效应是分立电路没有的，因此研究IC就必须了解这些寄生效应，产生寄生效应的原因，减弱或消除寄生效应的方法，避免影响电路的性能。3、可能的情况下，可以利用某些寄生效应构成电路所需的元件，简化设计线路。

2、为全面了解寄生效应，必须熟悉IC的制造工艺及其元件的结构与形成。§1-1典型的TTL工艺及晶体管结构典型的TTL工艺与平面晶体管工艺大致相同，主要差别在于“隔离”及“隐埋”。1、隔离IC中，各元件均制作在硅衬底上，首先必须使各元件之间实现电隔而相互独立，因此需引入“隔离”工艺，在硅片上形成一个个相互绝缘的小区域，再在这些小区域内制作元件，这些小区域称“隔离区”或“隔离岛”。隔离的方法通常有PN结隔离，介质隔离，PN结－介质混合隔离。目前，最简单、最低廉，也最常用的为PN结隔离。隔离的方式及结构如下：spnABnp在P型Si衬

3、底上外延淀积N型外延层。再有选择地扩散出P型隔离框，将N型外延层围成一个个独立的隔离岛，隔离框的扩散深度大于外延层厚度。这样隔离岛与衬底及隔离框形成一个PN结，称衬底结或隔离结。将衬底S接最低电位。则VAS或VBS≥0。即隔离PN结总是处于零偏或反偏状态，仅存在微小的漏电流，故隔离岛A、B处于电隔离状态。2、隐埋现在我们观察一个IC中的晶体管结构，在计算rcs时有：rcs=rc1+rc2+rc3CBEn＋P-sinRc1Rc2Rc3其中rc2的截面积小，长度长，在rcs中占有主要地位，欲减小的rcs，则主要应减小rc2。在IC

4、制造过程引入隐埋工艺，在淀积外延层之前，在制造晶体管的位置上，预先对衬底进行高掺杂的n+扩散，以作为集电极的电流通道，这一工艺过程称隐埋工艺，相应的n+区域称隐埋层。加隐埋层后，rcs在20Ω~60Ω之间，取决于晶体管的面积。3、典型的TTL工艺过程§1-2：IC中的晶体管及其有源寄生效应从前面的分析可知，IC中的晶体管是一个四层三结结构。存在有源寄生效应。准确地分析其特性需处理大量的非线性问题，非常困难，因此我们假定器件为一维结构，并引入大量的近似讨论其直流特性。为此我们从简单的PN结入手。引出埃伯斯-摩尔模型（Ebers-

5、Moll）一、理想的PN结二极管克莱定理：其中:1.数学近似:V>2.3VT时：V<－2.3VT时：I=－IS02.一般计算:I=03.工程估算:正向导通:V=VFBE结VF0.7～0.75VBC结VF0.6～0.65V截止:I＝0二、双结晶体管的E-M模型讨论一个两个PN结构成的晶体管。（规定结电流及结电压的正向为P→N）当两PN结相距很远时，可以为互相无影响J1J2npn+CBE当两结靠得较近时，相邻两PN结存在晶体管效应,此时：其中：αR：反向运用共基极短路电流增益αF:正向运用共基极短路电流增益将A、B的数值代入，以矩

6、阵表示又：故：此即为双结晶体管E-M模型，以图表示：在这里，以PN结注入电流IDE、IDC作为参考电流，故称注入型E-M模型，利用晶体管的可逆性特性:IS是IES，ICS的公共部分，为晶体管饱和电流。令则以图表示：称传输型E-M模型将IEC，ICC两个电流源合并，则得到非线性混合型E-M模型三、四层三结E-M模型将IC中的晶体管简化为四层三结的一维模型Spn+pnBECPNPNPN从模型可以看出，IC中的晶体管除主晶体管外，还存在一个寄生PNP管，欲得到PNP管对NPN管影响的程度，最直观的方法是引入四层三结E-M模型，并与

7、三层二结E-M模型进行比较，仍规定电流电压的正向为P→N且代入I1，I2，I3的表达式表示为矩阵形式这就是四层三结晶体管E-M模型四、IC中晶体管的有源寄生效应为便于分析，首先给出IC中晶体管的典型参数并作如下简化：1、PN结正偏时：反偏时：2、几部分电流相加时，若含有项，则其他项可忽略。3、不含的几项电流相加时，和含ISS项相比，可忽略IES，ICS项按晶体管的不同工作状态讨论寄生效应1、NPN管正向有源此时：VBE>0，VBC<0，VSC<0寄生晶体管截止，对NPN管基本无影响。与普通NPN管比较，仅增加了IB、IC的反向

8、漏电流，同时增加了一项衬底电流，电路功耗增加。2.NPN管截止此时，VBE<0，VBC<0，VSC<0，寄生晶体管截止，IE反向电流不变，IB、IC中增加了衬底漏电流IS。普通NPN管IC中的NPN管关断电流增大100倍，且整个电路增加了衬底漏电流。功耗增大，温度稳定性差3.