集成电路中的晶体管及其寄生效应ppt课件.ppt

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1、2021/10/51半导体集成电路第2章集成电路中的晶体管及其寄生效应双极晶体管的单管结构及工作原理理想本征双极晶体管的EM模型集成双极晶体管的有源寄生效应集成双极晶体管的无源寄生效应MOS晶体管的单管结构及工作原理MOS集成电路中的有源寄生效应2021/10/522.1双极晶体管的单管结构及工作原理双极器件：两种载流子（电子和空穴）同时参与导电2021/10/53发射区N+集电区N基区P发射结收集结发射极集电极基极BECnpN+结构特点：1.发射区掺杂浓度最大，基区次之，集电极最小2.基区宽度很窄图1.3.3晶体管内部载流子运动与外部电流正向工作外部条件发射结正偏集电结反偏VCC＞VBB晶

2、体管内部载流子的运动（以NPN为例）发射结正偏，发射极发射电子，在基区中扩散前进，大部分被集电极反偏结收集：(接近于1）具有电流放大作用：共射极短路电流增益共基极短路电流增益1.发射结正偏，向基区注入电子，集电结也正偏，也向基区注入电子（远小于发射区注入的电子浓度），基区电荷明显增加（存在少子存储效应），从发射极到集电极仍存在电子扩散电流，但明显下降。2.不再存在像正向工作区一样的电流放大作用，即不再成立。3.对应饱和条件的VCE值，称为饱和电压VCES，其值约为0.3V，深饱和时VCES达0.1～0.2V。2021/10/55当发射结正偏（VBE>0)，集电结也正偏（VBC>0)时(但注意

3、，VCE仍大于0)，为饱和工作区。NNPECB当VBC>0，VBE<0时，为反向工作区。工作原理类似于正向工作区，但是由于集电区的掺杂浓度低，因此其发射效率低，很小（约0.02）。2021/10/56当发射结反偏（VBE<0),集电结也反偏（VBC<0)时，为截止区。NNPECB反向工作区2021/10/57共发射极的直流特性曲线三个区域：饱和区放大区截止区2021/10/582.2理想本征集成双极晶体管的EM模型P-SiN-SiIVA:结面积,D:扩散系数,L:扩散长度,pn0,np0:平衡少子寿命热电压.T=300K,约为26mv正方向VI(mA)ISO一结两层二极管(单结晶体管)202

4、1/10/59+-VD正向偏置-+反向偏置二极管的等效电路模型2021/10/510两结三层三极管(双结晶体管)NPNBECIEICIBIDEIDCV1V2理想本征集成双极晶体管的EM模型假设p区很宽，忽略两个PN结的相互作用，则：2021/10/511实际双极晶体管的结构由两个相距很近的PN结组成：基区宽度远远小于少子扩散长度，相邻PN结之间存在着相互作用发射区集电区基区发射结收集结发射极集电极基极2021/10/512两结三层三极管(双结晶体管)NPNBECIEICIBI1I2V1V2NPN管反向运用时共基极短路电流增益NPN管正向运用时共基极短路电流增益2021/10/513BJT的三

5、种组态2021/10/514三结四层结构(多结晶体管)ppnnIEEBCSIBICISI1I2I3V1V2V3C(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p)V3V2V1SR、SF反、正PNP向应用时的共基极短路电流增益2021/10/515三结四层结构(多结晶体管)理想本征集成双极晶体管的EM模型根据基尔霍夫定律，有：ppnnIEECSIBICISI1I2I3V1V2V32021/10/516三结四层结构(多结晶体管)理想本征集成双极晶体管的EM模型理想本征集成双极晶体管的EM模型BJT的四种工作状态：VBEVBCB(P)E(N)C(N)0饱和区正向工作区反向工作区截止区（正偏）（反偏）

6、（反偏）（正偏）B(N)E(P)C(P)VBEVBC0饱和区正向工作区反向工作区截止区（正偏）（反偏）（反偏）（正偏）§2.2集成双极晶体管的有源寄生效应2021/10/518ppnnIEEBCSIBICISI1I2I3V1V2V3CBEpn+n-epin+P-SiP+P+Sn+-BLC(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p)V3V2V1工作NPN晶体管寄生PNP晶体管为了保证个隔离岛之间的绝缘，衬底始终接最负电位，则寄生PNP管的集电结总是反偏的并不是所有情况下都起作用的寄生PNP管的发射结（工作NPN晶体管的集电结）反偏，则寄生PNP管截止，不起作用寄生PNP管的发射结（工作NPN晶

7、体管的集电结）正偏，则寄生PNP管处于正向工作状态，有电流流过CS结，严重影响集成电路的正常工作。NPNPNPE(N+)B(P)C(N)S(P)VBEVBC0饱和区正向工作区反向工作区截止区（正偏）（反偏）（反偏）（正偏）VBEVBC0饱和区正向工作区反向工作区截止区（反偏）（正偏）（正偏）（反偏）NPNPNPVCSVCB衬底始终接最负的电位模拟集成电路数字集成电路ppnnIEEBCSIBICISI1I2I3