2章-晶体管的寄生效应

• 双极器件：两种载流子（电子和空穴）同时参与导 电
发 射 极 发射区 N+ 发 射 基区 P 结 收 集 结 集电区 N 集 电 极
C
B
E
基极
N+ n p
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
E N P N
C
B
当发射结正偏（VBE>0)，集电结反偏（VBC<0)时，为正向工作区。 共基极短路电 流增益
p n
I1 IE
E
理想本征集成双极晶体管的EM模型
三结四层结构(多结晶体管)
IE IB I C I S
1 1 F F 0
R 1R (1 SF ) SF
V1 VT I ES ( e 1) V2 SR I ( e VT 1 ) CS V 3 (1 SR ) I ( e VT 1 ) SS 1
V1 VT
V2 VT
1) 1)
I 2 BI ES (e
B
1) I CS (e
V2 VT
IB
E
I
E
I1
N
P
N
IC
I2
C
V1
V2
A B
I1 I2 I2 I1
V 20 V 1 0

NPN管反向运用时 共基极短路电流增 益 I
E
IC IC IE
V 1 0
R
V 20
正方向
V
二极管的等效电路模型
+ VD -
I I so (e
VD VT
1)
-
+
正向偏置
反向偏置
两结三层三极管(双结晶体管) 假设p区很宽，忽略两个PN结的相互作用，则：
B
IB
E
I DE I ES (e
IDC
N
V1 VT
1)
I
E
IDE
N
P
IC
C
V1
V2
I DC I CS (e
V2 VT
npn管
集成双极晶体管的有源寄生效应
NPN管工作于反向工作区的情况
E(n+) B(p) pnp S(p)
VBC (正偏) (反偏) 反向工作区 饱和区
npn
C(n)
(反偏) 截止区
(正偏) VBE 正向工作区
VBC>0 VBE<0 反向工作区 npn管
VEB_pnp=VBC_npn>0 VS=0 VCB_pnp<0 正向工作区 pnp管 寄生晶体管对电路产生影响
V3 VT
p I3
n I2
I 2 bI ES (e
1) I CS (e 1) I SS (e
V2 VT
1)
C
B
IB
p n
I1 IE
I 3 dI CS (e
I1 V1 0 I 2 V3 0 I 2 V1 0 I 3 V2 0
V2 VT
V3 VT
R SR
F
NPN管正向运用时 共基极短路电流增 益 理想本征集成双极晶体管的EM模型
BJT的三种组态
三结四层结构(多结晶体管) S
IS
V1 VT V2 VT
I1 I ES (e
V3 IC V2 V1
a
1) aI CS (e
V1 VT
1) 1) cI SS (e 1)

1
电子流
Ie=Ic+Ib 令 则

I c I e I cbo I e
空穴流
共射极短路电 流增益
Ic Ib
I e I p ( X 1 ) I n ( X 2 ) I b I p ( X 1 ) I rb I cbo
I c I n ( X 4 ) I cbo
b
I 2 V2 0 I1 V3 0
F SF
E
c
d
I 3 V2 0 I 2 V3 0
理想本征集成双极晶体管的EM模型
三结四层结构(多结晶体管)
I1 1 I2 R I 0 3 R 1 R I ES ( e 1) 0 V2 V R I CS ( e T 1) V 3 VT 1 I SS ( e 1)
V1 VT I ES ( e 1) V2 SR I ( e VT 1 ) CS V 3 (1 SR ) I ( e VT 1 ) SS 1
0
IE IB I C I S
1 1 F F 0
rE, c
RC SE
SE:发射极接触孔的面积 RC:为硅与发射极金属的欧姆接触系数
集成双极晶体管的无源寄生效应
集电极串联电阻rCS rCS=rC1+ rC2+rC3
C
E
rC1 L
T
bL
上底为有效集电结面积SC,eff=SE 并作以下近似: 1.上底、下底各为等位面； 2.锥体内的电流只在垂直方向流动； 3.在上下面的电流是均匀的。
2.2
理想本征集成双极晶体管的EM模型
一结两层二极管(单结晶体管)
P-Si
N-Si
V VT
I V
I S 0 Aq( Dn nP 0 Ln DP Pn 0 LP
I I s 0 (e
1)
热电压. I(mA) ) T=300K,约为26mv
ISO
I I so (e
V VT
1)
A:结面积, D:扩散系数,L:扩散长度, Pn0,nP0:平衡少子浓度
V1 VT
S
IS
p I3 n I2
IB
V3 IC V2 V1
C
根据基尔霍夫定律，有：
IE IB I C I S 1 1 0 0 0 1 1 0 0 I1 0 I 2 1 I3 1
集成双极晶体管的有源寄生效应
§2.4
集成双极晶体管的无源寄生效应
C
N+
B
N+
E
P+
P+
P
N-epi
N+-BL
E 发射极串联电阻rES rES=rE,c+ rE,b
接触电阻 体电阻
rE,c rE,b
发射区为N+扩散,杂质浓度在1020cm-3以上, 所以发射区的体电阻很小,串联电阻主要由 金属与硅的接触电阻决定
当发射结反偏（VBE<0),集电结也反偏（VBC<0) 时，为截止区。
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， R 很小（约0.02）。
C
E N P N
B
反向工作区
共发射极的直流特性曲线
三个区域： 饱和区 放大区 截止区
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
2.1双极晶体管的单管结构及工作原理
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）。 2.不再存在象正向工作区一样的电流放大作用，即 I c I b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。
0
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
§2.3
集成双极晶体管的有源寄生效应
ห้องสมุดไป่ตู้
双极晶体管的四种工作状态 S
IS
E(n+)
V3 B(p) IC V2
VBC 反向工作区
(正偏) (反偏)
p I3 n I2
IB
npn C(n)
C pnp
S(p)
p n
I1 IE
饱和区 VBE
(正偏)
V SC / V T
V F / VT
1) e
V F / VT
I SS 10
V R / VT
1) 1
1) I SS 0
集成双极晶体管的有源寄生效应
NPN管工作于反向工作区的EM方程(VBE(V1)<0,VBC(V2)>0)
IE IB I C I S 1 1 F F 0 R 1R (1 SF ) SF
V1
(反偏)
截止区
E
正向工作区
NPN管工作于正向工作区和截止区的情况
E(n+) B(p) pnp S(p)
VBC (正偏) (反偏) 反向工作区 饱和区
npn
C(n)
(反偏) 截止区
(正偏) VBE 正向工作区
VBC<0 正向工作区和截止区
VEB_pnp<0 VS=0 VCB_pnp<0
截止
pnp管 寄生晶体管的影响可以忽略
rC 1
T ln( a / b )
WL ab
集电极串联电阻rCS rCS=rC1+ rC2+rC3
C
E
rC2 LE-C
rC 2 R S BL
LE C W BL
集成双极晶体管的无源寄生效应
集电极串联电阻rCS rCS=rC1+ rC2+rC3
VEB_pnp=VBC_npn>0 VS=0 VCB_pnp<0
正向工作区
pnp管 寄生晶体管对电路产生影响
npn管
集成双极晶体管的有源寄生效应
NPN管工作于饱和工作区的EM方程
IE IF RIR I B (1 F ) I F (1 R ) I R I C F I F (1 SF ) I R I S ' SF I R
R 1R (1 SF ) SF
I ES V BC SR V I CS e T (1 SR ) I SS 1 0

集成双极晶体管的有源寄生效应
NPN管工作于反向工作区的EM方程
IE IB I C I S 1 1 F F 0 R 1R (1 SF ) SF I ES V BC SR V I CS e T (1 SR ) I SS 1 0
集成双极晶体管的有源寄生效应
NPN管工作于反向工作区的情况
几个假设:
晶体管参数
F 0 . 99 R 0 . 20 SF 0 . 70 SR 0 . 10
I ES 10 I CS 10
16 15 13
EM模型简化
A A A
PN 结正偏工作时， PN 结反偏工作时， V SC (V 3 ) 0 , I SS ( e V F 0, (e V R 0, (e
I E R I CS e
VBC VT
R I R
VBC VT
减小了集电极电流 作为无用电流流入衬底
减小 SF
I B (1 R ) I CS e
(1 R ) I R
VBC VT
I C (1 SF ) I CS e I S ' SF I CS e
1)
理想本征集成双极晶体管的EM模型
实际双极晶体管的结构 由两个相距很近的PN结组成：
发 射 极 发 射 基区 结 收 集 结 集 电 极
发射区
集电区
基极
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
两结三层三极管(双结晶体管)
I1 I ES (e
V1 VT
1) AI CS (e
VBC VT
(1 SF ) I R
SF I R
采用埋层和掺金工艺
集成双极晶体管的有源寄生效应
NPN管工作于饱和工作区的情况
E(n+) B(p) pnp S(p)
VBC (正偏) (反偏) 反向工作区 饱和区
npn
C(n)
(反偏) 截止区
(正偏) VBE 正向工作区
VBC>0 VBE>0 饱和工作区
正向工作区
• 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）
I c I e I cbo I e
• 具有电流放大作用： I c
Ib
E N P N
C
B
当发射结正偏（VBE>0)，集电结也正偏（VBC>0)时(但注意，VCE仍
大于0)，为饱和工作区。