专用集成电路设计基础教程（来新泉西电版）第3章器件的物理基础及其SPICE模型

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1、3.1PN结3.2有源器件3.3无源器件3.4模型参数提取第3章器件的物理基础及其SPICE模型3.1PN结PN结是半导体器件的最基本的结构要素，将PN结适当组合可制成晶体管、可控硅管和其他集成电路器件。本节主要介绍PN结的基本结构、工作过程及其重要特性。3.1.1PN结的形成应用半导体制造工艺把一块半导体加工成一半N型半导体、一半P型半导体时，二者的界面两边将产生很大的载流子浓度差。因为P型区内空穴载流子浓度高，N型区内自由电子浓度高，所以界面处载流子由浓度高处向浓度低处扩散，结果在P型半导体和N型半导体交界面上形成一个特殊的薄层，即PN结，所形成的电场称为P

2、N结电场。由于PN结内的电子与空穴中和而无载流子，因此PN结又叫“耗尽层”，如图3-1所示。图3-1PN结的形成图3-2是硅PN结的结构及其一维理想模式图，它是在集成电路制造过程中形成的(图中“+”表示浓度高，“-”表示浓度低)。图3-2硅PN结的结构图3.1.2PN结的理想伏安特性在理想PN结模型下，可得到理想PN结伏安特性表达式：（3-1）式中:IS称为PN结反向饱和电流；np0和pn0分别为P区和N区平衡时的少子电子浓度和少子空穴浓度；Ln和Lp分别称为电子和空穴的扩散长度，其值分别为其中,Dn和Dp分别是电子和空穴的扩散系数；τn和τp分别

3、是电子和空穴的寿命。　　式(3-1)定量表示了流过PN结的电流I与加在PN结上的电压U(P区相对于N区的电压)之间的关系。3.1.3PN结的单向导电性1.外加正向电压,PN结导通在PN结两端加正向电压，即P区接电源正极，N区接电源负极，如图3-3(a)所示。在外加正向电压的作用下PN结变窄，有利于扩散运动的进行。多数载流子在外加电压作用下将越过PN结形成较强的正向电流，这时的PN结处于导通状态。图3-3PN结的单向导电特性2.外加反向电压,PN结截止在PN结两端加反向电压，即P区接电源负极，N区接电源正极，如图3-3(b)所示。在外加反向电压的作用下PN结变宽

4、，阻碍多数载流子的扩散运动。少数载流子在外加电压作用下形成微弱电流，由于电流很小，可忽略不计，所以PN结处于截止状态。应当指出的是，少数载流子是由于热激发产生的，所以PN结的反向电流与温度有关，必须注意较大的温度变化会对半导体器件有影响。综上所述，PN结具有正向导通(呈低电阻)、反向截止(呈高电阻)的导电特性，这叫做PN结的单向导电性，其导电方向是由P区到N区。　　需要指出的是，当P型区域加上足够高的负电压时，将有大电流流动，如图3-4所示。在集成电路中，PN结不仅在二极管、晶体管等有源器件中使用，而且当其加上反向偏压时，也可作为元器件之间的电绝缘(元器件间的

5、隔离墙)。图3-4PN结伏安特性3.2有源器件3.2.1双极型晶体管及其SPICE模型双极型集成电路由晶体管、电阻和电容组成。其基本器件晶体管包括二极管和三极管。二极管往往由三极管的不同连接实现。三极管的代表是NPN管，标准工艺也以它的主要参数为依据，适当考虑横向PNP，纵向PNP和电阻、电容等。1.双极型晶体管的结构1)NPN管的结构　　图3-5为集成电路中使用的NPN晶体管的平面图和剖面图。其外延层是一种杂质种类和浓度与衬底不同的半导体结晶薄层。集成电路内各器件依靠处于反向偏置的PN结相互隔离。包括集电极在内的各个电极均形成在上表面。隐埋层(N+)是在外延

6、之前扩散形成的，是为了降低集电极电流通路的电阻(集电极电阻)而设置的。图3-5NPN晶体管结构图2)横向PNP的结构　　横向PNP的特点包括：(1)β小(由于工艺限制，基区宽度不可能太小，且有纵向PNP的作用)；(2)频率响应差(fT小)；(3)载流子是空穴。　　改善的方法：在图形设计上减小发射区面积和周长之比。　　横向PNP的结构如图3-6所示。图3-6横向PNP的结构3)纵向PNP的结构　　纵向PNP管的特点包括：(1)衬底PNP管的集电区是整个电路的公共衬底，直流接最负电位，交流是接地的，所以使用范围很有限，只能用做集电极接最负电位的电路结构。(2

7、)工作电流比横向PNP管大。(3)不用隐埋层。(4)基区电阻大。　　纵向PNP的结构如图3-7所示。图3-7纵向PNP的结构2.双极型晶体管的工作原理双极型晶体管以电子和空穴为载流子(双极性)，而且由载流子中的少数载流子决定器件的性能。双极型晶体管是以控制电流来达到放大、开关特性的电流控制器件。与此不同，我们后面要讲的MOS晶体管使用电子或者空穴(单极性)作为载流子，是一种多数载流子器件，也是一种电压控制器件。在双极型晶体管中，以NPN管为例，发射载流子(N型区电子)的一侧称为发射极e(emitter)，载流子到达的一侧称为基极b(base)。此时，基极为P型

8、，注入的电子为少数载流子