双极型逻辑集成电路幻灯片

• V电t=荷K量T/q（等效热电压）波尔兹曼常数、绝对温度、电子
（1）集成双极晶体管的有源寄生效应
▪ 简化EM模型：
• PN结正偏工作时，VF>0，（eVF/Vt-1）≈eVF/Vt
• PN界反偏时，VR<0，（eVR/Vt-1）≈-1
• 在电流叠加时只计算eVF/Vt项，可以忽略反偏电流，当全部
n+ P基区 n n+掩埋层
（1）
n+
Hale Waihona Puke p+隔离区
p-衬底
p+
n+ p+
n
隔离区
n+掩埋层
2.1.1集成晶体管与分立晶体管的区别
B(E-P) PNP
E(N+) NPN B
C(B-N)
E
N+
P
N
C
N+
p
S(C-P)
S
端电流关系式：IE=IB+IC+IS
2.1.2理想本征集成双极型晶体管
▪ 埃伯斯-莫尔（EM）模型（1954年Ebers和Moll提
《半导体集成电路》中10页图2-2
发射极串联电阻res
发射极串联电阻由发射极金属和硅的接触电阻 与发射区的体电阻
res= re,m + re,b re,m = RC/SE
RC：硅与发射极金属的欧姆接触系数（可查表） SE：发射极接触孔的面积
IF
)
I
R
0
IE IF αRIR
I B 1 α F I F 1 α R I R I C α F I F 1 α SF I R
I S α SF I R
接着上面公式推导
▪ 得到结论：
• 减小αSF： • 增大VBE-VBC：
▪ 采用肖特基二极管（SBD）对BC结进行箝位，使 VBC下降为0.5伏左右
饱和区
） （反偏） 0
VBE （正偏）
（ 截止区 反 正向工作区
偏 ）
IIIIC SB E还需1利10FF用前11面SR的RSFF公式1进10S行RRS推III导C SESSEe！eeVVVSBBCECVVVttt111
IE 1
I
B
1
αF
I
C
IS
αF 0
αR 1 αR ( 1 α SF α SF
▪ 对于反向工作区和饱和区缺陷工艺上采用掩埋和掺 金方法解决
✓ 寄生PNP管蜕化为反偏的由隔离结形成的衬底二极管。 反偏二极管存在着势垒电容
N+掩埋层（2000浙江大学考研题）
▪ 为了减少寄生PNP管的影响，增加有用电流的比值。 采用掺金工艺和增加掩埋工艺。
▪ 在逻辑集成电路中，NPN管经常处在饱和区或反向 运用工作状态，所以对逻辑集成电路来说，减少寄 生PNP管的影响就显得特别重要。在NPN管集电区 下设置n+阴埋层可以增大寄生PNP管的基区宽度和 杂质浓度，使寄生PNP管共基极短路电流增益大大 下降
结都反偏时，只考虑ISS项
• VSC总是小于零，所以ISS（eVSC/Vt-1） ≈- ISS ≈0
▪ 下面利用以上的简化模型分析集成NPN管的工作状
况
IE 1
IIIC SB1 0FF
R
1R 1SF
SF
110SR RSIIIC SESSEeeeV V VSB BCE CV V Vttt 111
▪ 减小集电极电阻
▪ 形成基区减速场
（2）集成双极晶体管的无源寄生效应
实际的集成晶体管中还存在着电荷储存效应和从晶 体管有效基区到晶体管个引出端之间的欧姆体电阻。 它们对晶体管的工作产生影响，称为无源寄生效应。
寄生电阻：res、rcs、rb和寄生电容CJ、CD：
集成双极晶体管电路中的寄生电阻大于分立器件 集成双极晶体管电路中的寄生电容大于MOS器件
载流子输运过程示意图
图中，蓝色表示电子流，白色表示空穴流
晶体管的输入特性
❖ 与 p-n 结的正向特性相似
共发射极
❖当VCE增加时，由于基区宽度减小，注入到基区中的少 数载流子的复合减少，故IB减少
共基极
❖在同样的VBE下，VCE越大，IE越大
三极管伏安特性
反向工作特性
IB=0 Cut-off
正向工作特性
三极管工作状态总结
工作状态 正向活跃状态 反向活跃状态
关闭状态 饱和状态
三极管放大电路
发射结 正偏 反偏 反偏 正偏
集电结 反偏 正偏 反偏 正偏
工作区 正向工作区 反向工作区
截止区 饱和区
这是逻辑电路设计中常用的工作状态
（ VBC
反向工作区
正 偏
饱和区
）
VBE
（反偏） 0 （正偏）
（ 截止区 反 正向工作区
出来）
IE 1
• 电流电压关系：IIIC SB1 0FF
R
1R 1SF
SF
1 10SR RSIIIC SESSEeeeV V VSB BCE C V V Vttt 111
• αF、αR分别是NPN管正、反向运用时的共基极短路电流 增益
• αSF、αSR分别是PNP管正、反向运用时的共基极短路电流 增益
➢ 以TI公司60~70年代末推出54/74系列TTL电路为例子 54 —— 军用 74 —— 民用
➢ 逻辑电路和逻辑表达式 进行逻辑运算和变换的电路称为逻辑电路 门电路是基本单元（与非门）
2.1 双极型逻辑集成电路中的寄生效应
双极型n-p-n的横向扩散的集成npn晶体管
vin
vout
最高 最低
电位 电位
NPN正向工作区和截止区的情况
（ VBC
反向工作区
正 偏
饱和区
） （反偏） 0
VBE （正偏）
（ 截止区 反 正向工作区
偏 ）
NPN反向工作区的情况
（ VBC
反向工作区
正 偏
饱和区
） （反偏） 0
VBE （正偏）
（ 截止区 反 正向工作区
偏 ）
饱和区的情况
简化EM方程，得
（ VBC
反向工作区
正 偏
双极型逻辑集成电 路幻灯片
优选第二章双极型逻辑集成电 路
复习
❖ 二极管的工作特性
PN结的形成 正向偏置的PN结 反向特性 PN结的特性
双极型晶体管
分为三个区
双极型晶体管剖面图、结构和逻辑符号
双极型晶体管以电子和空穴为载流子（bipoly，双极型），而且由载流子中的少 数载流子决定器件的性能。以控制电流来达到放大、开关特性的电流控制器件
偏 ）
晶体管处于放大区的三个必要条件
❖ 发射结正偏，结电阻很小，即输入电阻很小 ❖ 集电结反偏，结电阻很大，即输出电阻很大 ❖ 有一定的放大倍数（1~3），βF=IC/IB
集成晶体管逻辑电路发展状况
❖ 从直接耦合晶体管逻辑（DCTL）、RTL、DTL ❖ 广泛应用饱和型逻辑集成电路：TTL ❖ STTL和LSTTL以及ASTTL和ALSTTL ❖ 继承注入逻辑（I2L） ❖ 发射极耦合（ECL）电路—非饱和逻辑集成电路