集成电路中的晶体管及寄生效应
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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）
23
自由集电极纵向PNP管
25
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, 。
26
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.
6
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。
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
13
抑制有源寄生效应的措施：
（1）在NPN集电区下加设n+埋层。 埋层的作用有两个. 其一，埋层的下反扩散导致增加寄生PNP管的基区宽 度，使非平衡少数载流子在基区的复合电流增加，降低基 区电流放大系数pnp； 其二，埋层的n+上反扩散导致寄生 PNP管基区掺杂浓 度增大，基区方块电阻减小，由晶体管原理可知，这将导 致发射效率下降从而使寄生 PNP管电流放大系数降低，还 可降低rcs。 综上所述，各作用的结果使寄生PNP管的电流放大系 数降至0.01以下，则有源寄生转变为无源寄生，仅体现为 势垒电容的性质。
7
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。
17
横向PNP管 Lateral PNP transistor
74
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。
18
横向PNP晶体管有两个寄生PNP
-
19
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：
34
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）
35
晶闸管
1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶
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。
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：
5
四层三结晶体管EM模型：
• 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。
20
多集电极横向PNP晶体管
21
大电流增益的复合PNP晶体管
公共的 基极BC
22
衬底PNP管(纵向PNP管)
Substrate PNP transistor
24
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。
32
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。
33
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.
30
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。
31
场区寄生MOSFET
图2.26
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
1
2.1 理想本征集成双极晶体管的埃伯 斯-莫尔(EM)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。
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。 EM模型 （Ebers-Moll model)
2
NPN BJT EM模型
1、基本模型
Ebers and Moll，1954，最简单的模型。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 。
15
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。
14
抑制有源寄生效应的措施
（2）可采用外延层掺金工艺，引入深能级杂质，降 低少子寿命，从而降低 。 掺金工艺是在NPN管集电区掺金（相当于在PNP 管基区掺金）。掺金的作用，使PNP管基区中高复合 中心数增加，少数载流子在基区复合加剧，由于非平 衡少数载流子不可能到达集电区从而使寄生PNP管电 流放大系数大大降低。 （3）还应注意，NPN管基区侧壁到P+隔离环之间也 会形成横向PNP管，必须使NPN管基区外侧和隔离框 保持足够距离。
27
2.6 肖特基势垒二极管（ SBD Schottky- Barrier- Diode) 和肖特基箝位晶体管（ SCT Schottky clamp transistor）
肖特基势垒 Schottky—barrier 金属和半导体接触，和PN结一样, 在接触处的半导体 表面层内，形成由半导体中的杂质离子组成的空间电荷 层或耗尽层。其中存在的电子或空穴的势垒，叫做肖特 基势垒。 肖特基势垒和PN结势垒—样，也具有随外加电压改变 28 的势垒电容及整流作用。
寄生PNP管截止
11
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
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。
8
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 ）。
10
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PN来自百度文库管截止
NPN管工作于放大区
VBE(npn)>0
VBC(npn)<0 VEB(pnp)<0 VCS (npn)>0 VBC(pnp)>0
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。
29
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
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）。
16
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。
寄生PNP管处于放大区
12
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；寄生PNP管截止。 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要。
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。
图2.18 纵向PNP管（衬底PNP晶体管）
23
自由集电极纵向PNP管
25
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, 。
26
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.
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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。
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
13
抑制有源寄生效应的措施：
（1）在NPN集电区下加设n+埋层。 埋层的作用有两个. 其一，埋层的下反扩散导致增加寄生PNP管的基区宽 度，使非平衡少数载流子在基区的复合电流增加，降低基 区电流放大系数pnp； 其二，埋层的n+上反扩散导致寄生 PNP管基区掺杂浓 度增大，基区方块电阻减小，由晶体管原理可知，这将导 致发射效率下降从而使寄生 PNP管电流放大系数降低，还 可降低rcs。 综上所述，各作用的结果使寄生PNP管的电流放大系 数降至0.01以下，则有源寄生转变为无源寄生，仅体现为 势垒电容的性质。
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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。
17
横向PNP管 Lateral PNP transistor
74
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。
18
横向PNP晶体管有两个寄生PNP
-
19
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：
34
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）
35
晶闸管
1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶
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。
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
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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：
5
四层三结晶体管EM模型：
• 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。
20
多集电极横向PNP晶体管
21
大电流增益的复合PNP晶体管
公共的 基极BC
22
衬底PNP管(纵向PNP管)
Substrate PNP transistor
24
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。
32
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。
33
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.
30
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。
31
场区寄生MOSFET
图2.26
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
1
2.1 理想本征集成双极晶体管的埃伯 斯-莫尔(EM)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。
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。 EM模型 （Ebers-Moll model)
2
NPN BJT EM模型
1、基本模型
Ebers and Moll，1954，最简单的模型。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 。
15
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。
14
抑制有源寄生效应的措施
（2）可采用外延层掺金工艺，引入深能级杂质，降 低少子寿命，从而降低 。 掺金工艺是在NPN管集电区掺金（相当于在PNP 管基区掺金）。掺金的作用，使PNP管基区中高复合 中心数增加，少数载流子在基区复合加剧，由于非平 衡少数载流子不可能到达集电区从而使寄生PNP管电 流放大系数大大降低。 （3）还应注意，NPN管基区侧壁到P+隔离环之间也 会形成横向PNP管，必须使NPN管基区外侧和隔离框 保持足够距离。
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2.6 肖特基势垒二极管（ SBD Schottky- Barrier- Diode) 和肖特基箝位晶体管（ SCT Schottky clamp transistor）
肖特基势垒 Schottky—barrier 金属和半导体接触，和PN结一样, 在接触处的半导体 表面层内，形成由半导体中的杂质离子组成的空间电荷 层或耗尽层。其中存在的电子或空穴的势垒，叫做肖特 基势垒。 肖特基势垒和PN结势垒—样，也具有随外加电压改变 28 的势垒电容及整流作用。
寄生PNP管截止
11
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
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。
8
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 ）。
10
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PN来自百度文库管截止
NPN管工作于放大区
VBE(npn)>0
VBC(npn)<0 VEB(pnp)<0 VCS (npn)>0 VBC(pnp)>0
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。
29
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
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）。
16
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。
寄生PNP管处于放大区
12
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；寄生PNP管截止。 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要。
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。