集成电路中的晶体管及寄生效应

SBD在TTL中起到的嵌位作用
肖特基势垒二极管（SBD）具有可用于改善集成电路三 个特点，即正向压降低、开关时间短和反向击穿电压高。 肖特基势垒二极管与可能饱和的晶体管集电结正向并接， 由于SBD正向压降低的特点，是晶体管的饱和深度不能太深， 从而有效的提高了电路速度。
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肖特基箝位晶体管
SCT工作原理？ 2.6.2 参考教材 SBD和SCT的设计? 2.6.3 参考教材
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集成NPN的结构与寄生效应
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。 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。 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。
第2章 集成电路中的晶体管及其寄生效应
集成电`路中的双极晶体管模型 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 集成电路中的PNP管 集成二极管 肖特基势垒二极管(SBD) 和肖特基箝位晶体管 (SCT) 2.7 MOS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 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6
寄生PNP管处于放大区的三个条件： (1) EB结正偏（即NPN管的BC 结正偏） (2) BC结反偏（即NPN管的CS 结反偏） (3) 具有一定的电流放大能力（一般 pnp=1~3） 其中，条件(2)永远成立，因为pn结隔离就是要求衬底 P+隔离环接到最低电位。条件(3)一般也很容易达到。条 件(1)能否满足则取决于NPN管的工作状态。
以P型衬底作集 电区，集电极从浓 硼隔离槽引出。N型 外延层作基区，用 硼扩散作发射区。 由于其集电极与 衬底相通，在电路 中总是接在最低电 位处，这使它的使 用场合受到了限制， 在运放中通常只能 作为输出级或输出 缓冲级使用。
图2.18 纵向PNP管（衬底PNP晶体管）
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自由集电极纵向PNP管
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六种集成二极管的特性比较
BC短接二极管,没有寄生PN P效应, 。
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集成齐纳二极管和次表面齐纳管
IC中，齐纳二极管一般是反向工作BC短接二极管。 次表面齐纳二极管设 法把击穿由表面引入 体内。 扩散法: 在N+发射区 内加一道P+扩散. 离子注入: P型基区扩 散N+发射区扩散后,增 加一次硼离子注入.
模型参数： IFO，IRO
F , R
四个参数中只有三个 是独立变量
V I F I Fo exp BE V th V exp BC I R I Ro V th 1 1

寄生PNP管截止
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NPN管工作于饱和区 VBE(npn)>0 VBC(npn)>0 VEB(pnp)>0 VCS (npn)>0 VBC(pnp)>0

寄生PNP管处于放大区
NPN管工作于反向工作区
VBE(npn)<0
VBC(npn)>0 VEB(pnp)>0 VCS (npn)>0 VBC(pnp)>0
在硅栅MOS电路中，若多晶硅连线设计不当，或由于光刻 对准偏差，使多晶硅跨接两个扩散区，而形成以扩散区为源、 漏，以多晶硅为栅的另一种场区寄生MOSFET，图2.26所示。 由于铝线下的场氧化层要比多晶硅下的场氧化层厚(因为在 多晶硅光刻后还要生长一层氧化层)，所以以多晶硅为栅的场区 寄生MOSFET更不能忽视。
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IE
IB
I1 I2 I3 I S’
IC
图2.1 NPN晶体管的结构示意图 9
集成NPN管的有源寄生效应
四层三结结构 ：指NPN管的高浓度n型扩散发射区N+NPN管的p型扩散基区-n型外延层（NPN管的集电区）nepi （ epitaxial 外延的）-p型衬底四层p-Si ，以及四层之间的 三个pn结这样的工艺结构EB（ Emitter—Base ）结 、BC （ Base-Collector ）结、 CS结（ Collector-Substrate ）。
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2.7 MOS集成电路中的有源寄生效应
1 场区寄生MOSFET
寄生沟道形成示意图
由图，当互连铝线跨过场氧区B、C两个扩散区时，如 果互连铝线电位足够高，可能使场区表面反型，形成寄生 沟道，使本不应连通的有源区导通，造成工作电流泄漏， 使器件电路性能变差，乃至失效。
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场区寄生MOSFET
图2.26
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横向PNP管 Lateral PNP transistor
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为了使集电 极尽可能多 地收集从发 射区侧向注 入的空穴, 将集电极包 围发射极。
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横向PNP晶体管有两个寄生PNP
-
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横向PNP晶体管的主要特点
• BVEBO高，主要是由于x 深， 高之故。 • 电流放大系数小，主要原因：
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NPN管工作于截止区 VBC(npn)<0 VEB(pnp)<0 VBE(npn)<0，VCS (npn)>0 VBC(pnp)>0

寄生PNP管截止
NPN管工作于放大区
VBE(npn)>0
VBC(npn)<0 VEB(pnp)<0 VCS (npn)>0 VBC(pnp)>0
• 发生大注入时的临界电流小
横向PNP的基区宽度大，外延层Nepi低，空穴扩散系数低。
• 击穿电压主要取决于CE之间的穿通。提高击穿电压与增大电流增益
是矛盾的。
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多集电极横向PNP晶体管
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大电流增益的复合PNP晶体管
公共的 基极BC
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衬底PNP管(纵向PNP管)
Substrate PNP transistor
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2.4 集成电路中的PNP管
由于模拟集成电路中要应用NPN-PNP互补设计以及某些偏 置电路极性的要求，需要引入PNP结构的晶体管。横向PNP管广 泛应用于有源负载、电平位移等电路中。
集成电路中的PNP型晶体管的制作可与普通的 NPN管同时进行， 不需附加工序。其中心 p型发射区和外围 p型区是与普通NPN管基区 淡硼扩散同时完成的，而基区即为外延层。 在横向PNP管中，发射区注入的少子（空穴）在基区中流动的 方向与衬底平行，故称为横向 PNP管。
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预防措施
（1）增厚场氧厚度t’OX，使VTF，但需要增长场氧时间， 对前部工序有影响，并将造成台阶陡峭，不利于布线。 （2）对场区进行同型注入，提高衬底浓 度，使V’TF。 但注意注入剂量不宜过高，以防止某些寄生电容增大， 和击穿电压的下降。
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2 寄生双极型晶体管
措施: （1）基区宽度不要太小, 设计规则决定; ( 2 ) P型衬底保持负或零电位.
I E R I R I F
IC F I F I R
F I FO R I RO
I B (1 F ) I F (1 R ) I R
3
2、改进的EM模型 计入串联电阻、耗尽电容、并用电流源描述early效应。
4
四层三结晶体管EM模型：
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四层三结晶体管EM模型：
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2.5 集成二极管
在IC中，集成二极管的结构除单独的BC结外，通 常由晶体管的不同连接方式而构成多种形式，并不增加 IC工序。 集成二极管可采用的几种常见版图结构，即基极集 电极短路二极管结构、集电极发射极短路二极管结构、 基极发射极短路二极管结构、集电极悬空二极管结构、 发射极悬空二极管结构和单独二极管结构。
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2.2 集成双极晶体管的有源寄生效应
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。 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。
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2.3 集成双极晶体管的无源寄生效应
CCS1 CBE
CCS2
CCS2
2-3
由图2-3可归纳出集成NPN管的无源寄生效应包括： 寄生电阻 res（1~3Ω），rcs （加埋层，磷穿透工艺），rb 寄生电容： CD 扩散电容， CJ 势垒电容（CBE，CBC， CCS）， Cpad 焊盘电容。
集成电路中的无源寄生将影响集成电路的瞬态特性。
闸管。
1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只
晶闸管产品。
1958年商业化。 半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在
大容量的场合具有重要地位。
特点：体积小、重量轻、无噪声、寿命长、 容量大（正 向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。
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3 寄生PNPN效应 闩锁（Latch-up）效应
寄生PNPN效应又称 闩锁（Latch-up） 效应或寄生可控硅（SCR）效应。 补充：什么是晶闸管［晶体闸流管］ （Thyristor），别名：可控硅整流器 （Silicon Controlled Rectifier—SCR）
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晶闸管
1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶
jc epi
由于工艺限制，基区宽度不可能太小；
纵向寄生PNP管将分掉部分的发射区注入电流，只有侧壁注入的载流子才对横向PNP管的 有贡献。 基区均匀掺杂，无内建加速电场，主要是扩散运动。 表面迁移率低于体内迁移率。 基区的表面复合作用。
• 频率响应差
平均有效基区宽度大，基区渡越时间长。 空穴的扩散系数仅为电子的1/3。