第2章集成电路中的晶体管及其寄生效应ppt课件.ppt

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1、第2章集成电路中的晶体管及其寄生效应2.1集成电路中的双极晶体管模型2.2集成双极晶体管的有源寄生效应2.3集成双极晶体管的无源寄生效应2.4集成电路中的PNP管2.5集成二极管2.6肖特基势垒二极管(SBD)和肖特基箝位晶体管(SCT)2.7MOS集成电路中的有源寄生效应2.8集成电路中的MOS晶体管模型12.1BJT的模型器件模型－把器件的物理参数与器件的端特性相联系－数学描述设计器件设计电路BJT模型分类模型的精度和复杂度直流模型（大信号）交流模型（小信号）瞬态模型（突变信号）EM模型（Ebers-Mollmodel)GP模型（Cummel

2、－Poonmodel）电荷控制模型2p-n结二极管的分析和模拟是双极结型晶体管（BJT）原理和模拟的基础。BJT是由两个背靠背的p-n结，并由一个半导体薄区串联而成的。在发射结处于正向偏压（低阻抗），而集电极处于反向偏压（高阻抗）下，由发射结注入的少子电流几乎全部输运到集电结，使器件具有放大作用。当器件状态处于有源区时，就有功率增益。NPN双极型晶体管示意图3NPNBJT是两个半导体晶体的n型区由中间的p型区耦合起来的；而PNPBJT是两个p型区由中间的n型区耦合起来的。实际上，所有三个区域都是半导体单晶的一部分。在这种器件中，电流的描述涉及空穴

3、和电子的运动，所以称作为双极型晶体管。42.1.1集成NPN晶体管的结构E(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNP平面图P-SubN–-epiP+P+PN+N+CEB剖面图EBCSN+PNP等效结构图等效电路图5EbersandMoll晶体管方程为了更容易地分析含有BJT的电子电路，通常将BJT模拟为二端电路元件。用二个电流和二个电压足以能分析BJT的工作原理，这里将BJT模拟为黑匣子（blackbox）。NPN晶体管的共基极连接如图所示，图中表示输入电流IE和电压VBE，以及输出电流IC和电压VBC。BJT可以看作二个耦合的二极管，其电流-

4、电压方程与二极管的电流-电压方程相类似。事实上，这些方程可为：NPN晶体管的共基极连接，晶体管表示黑匣子式中Aij为晶体管内部设计系数（耦合系数）。这里输入电流IE和输出电流IC用输入电压VBE和输出电压VBC表征。6加上Kirchoff定律规定的二个方程：构成四个方程。假如Aij确定的话，四个方程中还有6个未知的电流和电压参数。如果给出二个电流或电压值，其它四个电流与电压值就可确定。这四个公式对于晶体管模拟是非常有用的，尤其是在计算机辅助电路分析中，而且并不仅仅限制在低水平注入条件。这些方程通常称为Ebers-Moll方程。7EM模型（Eber

5、sandMoll，1954）最简单的模型1、基本模型由两个背靠背的二极管和两个电流源组成假设正反向电流相互独立，在大注入时不适用模型参数：IFO，IRO四个参数中只有三个是独立变量82、改进的EM模型计入了串联电阻、耗尽电容、并用电流源描述early效应910112.2集成双极晶体管的有源寄生效应双极型逻辑IC中，广泛使用的有源器件是NPN管，二极管可利用不同的晶体管或单独的pn结制得，设计时要考虑：芯片利用率和寄生效应。有源寄生效应影响集成电路的直流特性和瞬态特性，是极其有害的；而无源寄生仅影响电路的瞬态特性。12分离双极型NPN晶体管（BJT

6、）的结构低阻衬底N+外延层(集电区)EBBC基区发射区CPn+Nepi双极晶体管包括NPN管和PNP管，而集成双极晶体管是以NPN管为主。13集成电路中的元件都做在同一衬底上，因此，其结构与分离器件有很大的不同。所谓理想本征集成双极型晶体管，是指在对其进行分析时，不考虑寄生效应。实际IC中的晶体管结构，具有系列多维效应。但在近似分析其直流特性时，可简化为一维结构。14集成NPN的结构与寄生效应为了在一个基片上制造出多个器件，必须采用隔离措施，pn结隔离是一种常用的工艺。在pn结隔离工艺中，典型NPN集成晶体管的结构是四层三结构，即NPN管的高浓度

7、n型扩散发射区-NPN管的p型扩散基区-n型外延层（NPN管的集电区）-p型衬底四层，以及四层之间的三个pn结这样的工艺结构。15图2.1NPN晶体管的结构示意图IEIBICI1I2I3IS’16由于存在寄生PNP晶体管，因此与分立晶体管有很大的差别。实际的集成电路中，衬底始终结最负电位，以保证各隔离岛之间的电绝缘，所以寄生PNP不会严重影响集成电路的正常工作。模拟IC中，NPN:截止区和正向工作区→寄生PNP发射结是反偏的；数字IC中，NPN:饱和或反向工作状态→寄生PNP处于正向工作区。所以对数字集成电路来说，减小寄生PNP管的影响显得特别重

8、要。17集成NPN管的寄生效应Ccsrcs寄生PNP管BC结rcsCcs寄生PNP管EB结18集成NPN管的有源寄生效应四层三结结构：典