第2章集成电路中的晶体管及其寄生效应
《半导体集成电路》考试题目及参考答案
第一部分考试试题第0章绪论1.什么叫半导体集成电路？2.按照半导体集成电路的集成度来分，分为哪些类型，请同时写出它们对应的英文缩写？3.按照器件类型分，半导体集成电路分为哪几类？4.按电路功能或信号类型分，半导体集成电路分为哪几类？5.什么是特征尺寸？它对集成电路工艺有何影响？6.名词解释：集成度、wafer size、die size、摩尔定律？第1章集成电路的基本制造工艺1.四层三结的结构的双极型晶体管中隐埋层的作用？2.在制作晶体管的时候，衬底材料电阻率的选取对器件有何影响？。
3.简单叙述一下pn结隔离的NPN晶体管的光刻步骤？4.简述硅栅p阱CMOS的光刻步骤？5.以p阱CMOS工艺为基础的BiCMOS的有哪些不足？6.以N阱CMOS工艺为基础的BiCMOS的有哪些优缺点？并请提出改进方法。
7. 请画出NPN晶体管的版图，并且标注各层掺杂区域类型。
8.请画出CMOS反相器的版图，并标注各层掺杂类型和输入输出端子。
第2章集成电路中的晶体管及其寄生效应1.简述集成双极晶体管的有源寄生效应在其各工作区能否忽略？。
2.什么是集成双极晶体管的无源寄生效应？3. 什么是MOS晶体管的有源寄生效应？4. 什么是MOS晶体管的闩锁效应，其对晶体管有什么影响?5. 消除“Latch-up”效应的方法？6.如何解决MOS器件的场区寄生MOSFET效应？7. 如何解决MOS器件中的寄生双极晶体管效应？第3章集成电路中的无源元件1.双极性集成电路中最常用的电阻器和MOS集成电路中常用的电阻都有哪些？2.集成电路中常用的电容有哪些。
3. 为什么基区薄层电阻需要修正。
4. 为什么新的工艺中要用铜布线取代铝布线。
5. 运用基区扩散电阻，设计一个方块电阻200欧，阻值为1K的电阻，已知耗散功率为20W/c㎡,该电阻上的压降为5V,设计此电阻。
第4章TTL电路1.名词解释电压传输特性 开门/关门电平 逻辑摆幅 过渡区宽度 输入短路电流 输入漏电流静态功耗 瞬态延迟时间 瞬态存储时间 瞬态上升时间 瞬态下降时间瞬时导通时间2. 分析四管标准TTL 与非门（稳态时）各管的工作状态？3. 在四管标准与非门中，那个管子会对瞬态特性影响最大，并分析原因以及带来那些困难。
第二章双极集成电路中的元件形成及寄生效应
四层三结结构的双极晶体管
23
2016/7/13
双极集成电路元件断面图
E
P+ n+
n+-BL
B
C
S P+
p
n+
n-epi P-Si
衬底接最低电位
E(n+)
B(p) npn
等效电路
pnp S(p)
C(n)
隐埋层作用：1. 减小寄生pnp管的影响 2. 减小集电极串联电阻
24 2016/7/13
双极集成电路等效电路
C端 E端
p
n
B
p
C端
E
B
C
E
B
C
E
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N
P
N
C
E
P
N
P
C
19
B E
B
C
?
N C
E
N
P
C
B
E
N+
C
BE
n
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p
20
3
双极集成电路中元件的隔离
B B C B E
E C
E C
B E
C
n n
B
n
n
p
p
B
E
C
E
21
2016/7/13
C
B
E
n
C
B
E
n
n
p
n
p
介质隔离
E P+ n+
则 I C I B I CEO
当 I C I CEO 时，I C I B
是另一个电流放大系数。同样，它也只与管
集成电路中的晶体管及其寄生
二、寄生晶体管作用分析 （1）NPN工作于饱和区或反向工作区（数字集成电路）： VBC－NPN>0，VBE－PNP>0，PNP管的发射结正偏，PNP管处于正向工作状态。 （2）NPN处于截止区或正向工作区（模拟集成电路）： VBC—NPN<0，VBE－PNP<0，PNP管的发射结反偏，寄生PNP管截止。
结论：寄生的PNP管 NPN工作于饱和区或反向工作区——严重影响集成电路的工作。 NPN工作于截止区或正向工作区——寄生PNP截止。
EM模型 如果令I3＝0或ISS＝0，就可得出三层二结结构NPN晶体管的EM方程 ：
2.2集成双极晶体管的有源寄生效应
假定隔离结始终处于反偏，并取晶体管的参数如下；
因为电流由集电结垂直下来后转角流人埋层，所以取拐角的电阻为1/2的薄层电阻值，因而在计算rC2的长度时，可以计算从发射区接触孔中心到集电极接触孔中心的长度LE-C即可
rC3的计算
rC3也是一个锥体，在版图设计时，掩模上集电极接触区(N+区)的三边与埋层的三边是重合的，只是在发射区一边埋层的长度很长。根据rC1的估算方法，对于这一边的长度，是以集电极N+扩散层边缘再加1T来处理。根据已知的数据可得到rC3锥体的高度T为
（2）横向PNP管的特征频率fT 横向PNP管的fT较小，一般为(1~5)MHz，比模拟集成电路中的NPN管几乎小两个数量级。横向PNP管fT小的原因如下： ①横向PNP管的有效平均基区宽度WBL大； ②埋层的抑制作用，使折回集电极的少子路程增加； ③空穴的扩散系数只有电子扩散系数的1／3。 ④横向PNP管在共发射极接法时其衬底结电容蛛和发射结电容Cjs是并联的，也会引起fT下降。 为使fT提高可采取以下措施： 增加结深xjc； 减小LE，即只要能满足电流容量的要求，发射区应做成最小几何尺寸， 提高工艺精度以降低WBL。 在与NPN管制造工艺兼容的前提下，降低外延层掺杂浓度，提高横向PNP发射区(也即NPN管的基区)掺杂浓度NE—PNP。
《半导体集成电路》考试题目及参考标准答案
《半导体集成电路》考试题⽬及参考标准答案第⼀部分考试试题第0章绪论1.什么叫半导体集成电路？2.按照半导体集成电路的集成度来分，分为哪些类型，请同时写出它们对应的英⽂缩写？3.按照器件类型分，半导体集成电路分为哪⼏类？4.按电路功能或信号类型分，半导体集成电路分为哪⼏类？5.什么是特征尺⼨？它对集成电路⼯艺有何影响？6.名词解释：集成度、wafer size、die size、摩尔定律？第1章集成电路的基本制造⼯艺1.四层三结的结构的双极型晶体管中隐埋层的作⽤？2.在制作晶体管的时候，衬底材料电阻率的选取对器件有何影响？。
3.简单叙述⼀下pn结隔离的NPN晶体管的光刻步骤？4.简述硅栅p阱CMOS的光刻步骤？5.以p阱CMOS⼯艺为基础的BiCMOS的有哪些不⾜？6.以N阱CMOS⼯艺为基础的BiCMOS的有哪些优缺点？并请提出改进⽅法。
7. 请画出NPN晶体管的版图，并且标注各层掺杂区域类型。
8.请画出CMOS反相器的版图，并标注各层掺杂类型和输⼊输出端⼦。
第2章集成电路中的晶体管及其寄⽣效应1.简述集成双极晶体管的有源寄⽣效应在其各⼯作区能否忽略？。
2.什么是集成双极晶体管的⽆源寄⽣效应？3. 什么是MOS晶体管的有源寄⽣效应？4. 什么是MOS晶体管的闩锁效应，其对晶体管有什么影响?5. 消除“Latch-up”效应的⽅法？6.如何解决MOS器件的场区寄⽣MOSFET效应？7. 如何解决MOS器件中的寄⽣双极晶体管效应？第3章集成电路中的⽆源元件1.双极性集成电路中最常⽤的电阻器和MOS集成电路中常⽤的电阻都有哪些？2.集成电路中常⽤的电容有哪些。
3. 为什么基区薄层电阻需要修正。
4. 为什么新的⼯艺中要⽤铜布线取代铝布线。
5. 运⽤基区扩散电阻，设计⼀个⽅块电阻200欧，阻值为1K的电阻，已知耗散功率为20W/c㎡,该电阻上的压降为5V,设计此电阻。
第4章TTL电路1.名词解释电压传输特性开门/关门电平逻辑摆幅过渡区宽度输⼊短路电流输⼊漏电流静态功耗瞬态延迟时间瞬态存储时间瞬态上升时间瞬态下降时间瞬时导通时间2. 分析四管标准TTL 与⾮门（稳态时）各管的⼯作状态？3. 在四管标准与⾮门中，那个管⼦会对瞬态特性影响最⼤，并分析原因以及带来那些困难。
最新半导体集成电路部分习题答案(朱正涌)
半导体集成电路部分习题答案(朱正涌)第1章 集成电路的基本制造工艺1.6 一般TTL 集成电路与集成运算放大器电路在选择外延层电阻率上有何区别?为什么?答：集成运算放大器电路的外延层电阻率比一般TTL 集成电路的外延层电阻率高。
第2章 集成电路中的晶体管及其寄生效应 复 习 思 考 题2.2 利用截锥体电阻公式，计算TTL “与非”门输出管的CS r ，其图形如图题2.2所示。
提示：先求截锥体的高度up BL epi mc jc epi T x x T T -----=- 然后利用公式： ba ab WL Tr c -•=/ln 1ρ ， 212••=--BL C E BL S C W L R rba ab WLTr c -•=/ln 3ρ 321C C C CS r r r r ++=注意：在计算W 、L 时, 应考虑横向扩散。
2.3 伴随一个横向PNP 器件产生两个寄生的PNP 晶体管，试问当横向PNP 器件在4种可能的偏置情况下，哪一种偏置会使得寄生晶体管的影响最大? 答：当横向PNP 管处于饱和状态时，会使得寄生晶体管的影响最大。
2.8 试设计一个单基极、单发射极和单集电极的输出晶体管，要求其在20mA 的电流负载下，OL V ≤0.4V ，请在坐标纸上放大500倍画出其版图。
给出设计条件如下：答： 解题思路⑴由0I 、α求有效发射区周长Eeff L ； ⑵由设计条件画图①先画发射区引线孔；②由孔四边各距A D 画出发射区扩散孔； ③由A D 先画出基区扩散孔的三边； ④由B E D -画出基区引线孔； ⑤由A D 画出基区扩散孔的另一边； ⑥由A D 先画出外延岛的三边； ⑦由C B D -画出集电极接触孔； ⑧由A D 画出外延岛的另一边； ⑨由I d 画出隔离槽的四周；⑩验证所画晶体管的CS r 是否满足V V OL 4.0≤的条件，若不满足，则要对所作的图进行修正，直至满足V V OL 4.0≤的条件。
第二章 集成电路中的元器件及其寄生效应ppt课件
§2-3 横向PNP管
双极集成电路中的基本器件 是NPN管，但在模拟电路中也往 往需要PNP管子，如运算放大器的 输入输出级的有源负载等都经常 使用PNP管。虽然PNP管的单管性 能不如NPN管，但仍然使电路的 性能得到了改善。横向PNP管的出 现，也促使了IIL电路的实现。
C 移速度。 是栅氧化层的单位面积的电容。 OX
式（3.2）就是NMOS器件工作在非饱和区的I-V特性， I D
与 V D S 呈平方律的关系。
如图，我们给出了不同的V G S 下，
根据式（3.2）得出的抛物线，表示
了器件产生的电流随 V G S 增大而增
加。通过计算偏导数很容易计算出
每条抛物线的极值均发生在
以NMOS晶体管为例，我们假设：0 V D S V G S V T H ，在
图中我们从半导体物理的角度出发进行一系列的推导，得到
I VVVV D K 2 ,W L 2
G S T H
D S2 D S
（3.2）
式中 K , 称为器件的跨导系数，
K C , n OX
（3.3）
称为低场电子迁移率，表示单位场强下电子的平均漂 n
一、衬底PNP管
1.集电区是整个电路的公
共衬底。
C
EB
2.其晶体管作用只发生在
纵向，各节面积较平坦， P+
发生区面积可以做的很
P N+
N–-epi
P+
大，所以工作电流可以 P-Sub
很大。
3.因为衬底作为集电区，故不存在有源寄生效应，故可不 用掩埋层。
4.基区电阻较大。
5.集电极串联电阻和集电结电容较大。
《半导体集成电路》考试题目及参考答案
？ ？第一部分 考试试题第 0 章 绪论1.什么叫半导体集成电路？2.按照半导体集成电路的集成度来分，分为哪些类型，请同时写出它们对应的英文缩写？3.按照器件类型分，半导体集成电路分为哪几类？4.按电路功能或信号类型分，半导体集成电路分为哪几类5.什么是特征尺寸？它对集成电路工艺有何影响6.名词解释：集成度、wafer size 、die size 、摩尔定律？第 1 章 集成电路的基本制造工艺1.四层三结的结构的双极型晶体管中隐埋层的作用？2.在制作晶体管的时候，衬底材料电阻率的选取对器件有何影响？。
3.简单叙述一下 pn 结隔离的 NPN 晶体管的光刻步骤？4.简述硅栅p 阱 CMOS 的光刻步骤？5.以 p 阱 CMOS 工艺为基础的BiCMOS 的有哪些不足？6.以 N 阱 CMOS 工艺为基础的BiCMOS 的有哪些优缺点？并请提出改进方法。
7. 请画出 NPN 晶体管的版图，并且标注各层掺杂区域类型。
8.请画出 C MOS 反相器的版图，并标注各层掺杂类型和输入输出端子。
第 2 章 集成电路中的晶体管及其寄生效应1.简述集成双极晶体管的有源寄生效应在其各工作区能否忽略？。
2. 什么是集成双极晶体管的无源寄生效应？3. 什么是 MOS 晶体管的有源寄生效应？4. 什么是 MOS 晶体管的闩锁效应，其对晶体管有什么影响?5. 消除“Latch-up ”效应的方法？6.如何解决 MOS 器件的场区寄生 MOSFET 效应？7. 如何解决 MOS 器件中的寄生双极晶体管效应？第 3 章 集成电路中的无源元件1.双极性集成电路中最常用的电阻器和 MOS 集成电路中常用的电阻都有哪些？2.集成电路中常用的电容有哪些。
3. 为什么基区薄层电阻需要修正。
4. 为什么新的工艺中要用铜布线取代铝布线。
5. 运用基区扩散电阻，设计一个方块电阻 200 欧，阻值为 1K 的电阻，已知耗散功率为 20W /c ㎡,该电阻上的压降为 5V,设计此电阻。
第2章 集成电路中的晶体管及其寄生效应
2、次表面齐纳管
一般的齐纳管由于击穿发生在表面，因而输出噪声电压较大， 次表面齐纳管是设法把击穿由表面引入体内。可以用扩散法和 离子注入法来形成次表面齐纳管。 扩散法是在N+发射区内加一道深P+扩散，使击穿发生在N+ 与P+的接触圈上(称次表面)。
离子注入法掺杂可以精确控制掺杂的浓度和深度，利 用离子注入法来制造次表面齐纳管，可望得到较精确 的Vz值。离子注入次表面齐纳管的结构如图2.2l所示， 它是在P型基区扩散和N+发射区扩散后，增加一次硼 离子注入而成。
一、横向PNP管 1、横向PNP管的结构、特性及其寄生PNP管
2、多集电极横向PNP管
3、大电流增益的复合PNP管
二、衬底PNP管
三二极管 一、一般集成二极管 在集成电路中的二极管，多数是通过对集成晶体管 的不同接法而形成的，所以不增加新的工序，且可灵 活地采用不同的接法得到电参数不同的二极管，以满 足集成电路的不同要求。在集成电路中也可以利用单 独的一个硼扩散结形成的二极管。 各种集成二极管的特性比较如表2．2所示。二极管 接法的选择由电路对正向压降、动态电阻rd、电容、 存储时间tS和击穿电压的不同要求来决定，因为只要 工艺掌握得好，六种形式二极管的漏电流相差不多。
2.3 集成双极晶体管的无源寄生效应
因为衬底结始终反偏，在采取各种措施后，可使 α SF<0.0l，此时寄生PNP管的影响退化成一个势垒电 容Cjs，所以集成NPN管的等效电路如图2.4，称为 EM2模型。
一、集成NPN晶体管中 的寄生电阻 发射极串联电阻rES 集电极串联电阻rCS 基极串联电阻rB
2.6 肖特基势垒二极管(SBD)和肖特基箝位晶体管(SCT) 一、肖特基势垒二极管 由半导体物理的知识可知，铝和N型硅接触形成的肖 特基势垒具有类似于PN结的整流特性，其V－I关系为
《半导体集成电路》考试题目及参考答案
第一部分考试试题第0章绪论1.什么叫半导体集成电路？2.按照半导体集成电路的集成度来分，分为哪些类型，请同时写出它们对应的英文缩写？3.按照器件类型分，半导体集成电路分为哪几类？4.按电路功能或信号类型分，半导体集成电路分为哪几类？5.什么是特征尺寸？它对集成电路工艺有何影响？6.名词解释：集成度、wafer size、die size、摩尔定律？第1章集成电路的基本制造工艺1.四层三结的结构的双极型晶体管中隐埋层的作用？2.在制作晶体管的时候，衬底材料电阻率的选取对器件有何影响？。
3.简单叙述一下pn结隔离的NPN晶体管的光刻步骤？4.简述硅栅p阱CMOS的光刻步骤？5.以p阱CMOS工艺为基础的BiCMOS的有哪些不足？6.以N阱CMOS工艺为基础的BiCMOS的有哪些优缺点？并请提出改进方法。
7. 请画出NPN晶体管的版图，并且标注各层掺杂区域类型。
8.请画出CMOS反相器的版图，并标注各层掺杂类型和输入输出端子。
第2章集成电路中的晶体管及其寄生效应1.简述集成双极晶体管的有源寄生效应在其各工作区能否忽略？。
2.什么是集成双极晶体管的无源寄生效应？3. 什么是MOS晶体管的有源寄生效应？4. 什么是MOS晶体管的闩锁效应，其对晶体管有什么影响?5. 消除“Latch-up”效应的方法？6.如何解决MOS器件的场区寄生MOSFET效应？7. 如何解决MOS器件中的寄生双极晶体管效应？第3章集成电路中的无源元件1.双极性集成电路中最常用的电阻器和MOS集成电路中常用的电阻都有哪些？2.集成电路中常用的电容有哪些。
3. 为什么基区薄层电阻需要修正。
4. 为什么新的工艺中要用铜布线取代铝布线。
5. 运用基区扩散电阻，设计一个方块电阻200欧，阻值为1K的电阻，已知耗散功率为20W/c㎡,该电阻上的压降为5V,设计此电阻。
第4章TTL电路1.名词解释电压传输特性 开门/关门电平 逻辑摆幅 过渡区宽度 输入短路电流 输入漏电流静态功耗 瞬态延迟时间 瞬态存储时间 瞬态上升时间 瞬态下降时间瞬时导通时间2. 分析四管标准TTL 与非门（稳态时）各管的工作状态？3. 在四管标准与非门中，那个管子会对瞬态特性影响最大，并分析原因以及带来那些困难。
第二章集成电路中的晶体管及其寄生效应详解
考虑无源寄生元件的集成NPN晶体管刨面图
无源寄生效应： 寄生电阻：
发射极串联电阻；集电极串联电阻，基区电阻
寄生电容：
与PN结有关的耗尽层势垒电容Cj; 与可动载流子在中性区的存储电荷有关的扩散电 容CD; 电极引线的延伸电极电容Cpad;
发射极串联电阻rES
由发射极金属和硅的接触电阻rE，C与发射区的体电阻rE，b， 组成.
10
4 3 有效范围：310 310
（a ）
对于扩散的硅
P N 结二极管，在各种结深 xj 的情况下， 单位面积电容 C 相对总结电压V 除以本底浓度N BC 的关系
（b ）
(2)查表 对于反偏pn结，作为一级近似，利用公式
ND N A C j (V ) ,VD VT ln 2 N i V 1 V D C jo
器件建模方法
一种是从元器件的电学工作特性出发，把元器件看成黑盒子，测量 其端口的电气特性，提取器件模型，而不涉及器件的工作原理，称 为行为级模型。这种模型的代表是IBIS模型和S参数。其优点是建模 和使用简单方便，节约资源，适用范围广泛，特别是在高频、非线 性、大功率的情况下行为级模型几乎是唯一的选择。缺点是精度较 差，一致性不能保证，受测试技术和精度的影响。
1、基区宽度调制等二级效应； 2、个别元件的分布性质
半导体集成电路部分习题答案(朱正涌)
(1)当 时，欲使 =0.3V，驱动管应取何尺寸?
答：
7.2有一E/D NMOS反相器，若 =2V, =-2V, =25, =5V。
(1)求此反相器的逻辑电平是多少?
答：
第8章MOS基本逻辑单元
复习思考题
8.2图题8.2为一E/D NMOS电路。
(1)试问此电路可实现何种逻辑运算?
第13章集成运算放大器
13.2对于图题13.2所示差分对，设 =100, =0.7V，试求其 和 。
答：
9.5
13.4图题13.4为一个级联射耦对放大器，设 时， , , 。求：
(1) , 及 ；
(2) 和 (若 , )。
答：(1)
(2)
13.5已知射耦对差分放大器电路如图题13.5所示，晶体管的 ， ，试求当 =130mV时的 值。
所示。
提示：先求截锥体的高度
-
然后利用公式： ，
注意：在计算W、L时,应考虑横向扩散。
2.3伴随一个情况下，哪一种偏置会使得寄生晶体管的影响最大?
答：当横向PNP管处于饱和状态时，会使得寄生晶体管的影响最大。
2.8试设计一个单基极、单发射极和单集电极的输出晶体管，要求其在20mA的电流负载下
由 画出隔离槽的四周；
验证所画晶体管的 是否满足 的条件，若不满足，则要对所作
的图进行修正，直至满足 的条件。（ 及己知
）
第3章集成电路中的无源元件
复习思考题
3.3设计一个4kΩ的基区扩散电阻及其版图。
试求：(1)可取的电阻最小线宽 =?你取多少?
答：12μm
(2)粗估一下电阻长度，根据隔离框面积该电阻至少要几个弯头?
第二章集成电路中的晶体管及其寄生效应
耗尽层势垒电容Cj
(1)利用劳伦斯-沃纳曲线（该曲线是在耗尽 层近似和恒定衬底浓度的条件下获得的， 只能用来计算反偏的pn结）
劳伦斯-沃纳曲线
10
5
10 5 2 10 14
13
10 5 2 2 10 5 5 10 5 2
15 14
10 13 5
2 5 5
pF/2
pF/2
5
10
图形是窄条型）；尽可能使集电区包围发射区 2、在工艺上采用增大结深及采用埋层工艺的办法
（1.1）横向PNP管的直流电流放大倍数
横向PNP本身结构上的限制
1、横向平均基区宽度不可能做得太小
2、发射极的注入效率低 3、表面复合影响大
（1.2）横向PNP管的特征频率fT
横向PNP管的有效基区宽度大 埋层的抑制作用，使折回集电极的少子路径增加 空穴的扩散系数只有电子扩散系数的1/3左右
尽可能使集电区包围发射区2在工艺上采用增大结深及采用埋层工艺的办法11横向pnp管的直流电流放大倍数11横向pnp管的直流电流放大倍数?横向pnp本身结构上的限制1横向平均基区宽度不可能做得太小2发射极的注入效率低3表面复合影响大12横向pnp管的特征频率ft?横向pnp管的有效基区宽度大?埋层的抑制作用使折回集电极的少子路径增加?空穴的扩散系数只有电子扩散系数的13左右提高横向pnp管的特征频率ft措施?增加结深xjc是否与工艺兼容?减小发射区尺寸?提高工艺精度减小等效基区宽度?降低外延层掺杂浓度提高横向pnp管发射区掺杂浓度是否与工艺兼容13横向pnp管开始发生大注入时的临界电流icr由晶体管原理
消除自锁现象的措施
消除自锁现象的版图设计； 消除自锁现象的工艺考虑； 其他措施：
双极集成电路中的元件形成及其寄生效应
B
C
B
E
N E C
P
N+
B
C
B
E
E
N
P
N
C
图 2.9 双极集成晶体管的结构以及制造工艺
B
B
E C B E
C C n
E B E
C
n n p
n
p
B C E E
B E
图 2.10 双极集成电路中元件的隔离
C B E C B E
集成电路中介质隔离
n P
+
+
n P
+
+
n
+
I (X
n
2
In )
( X 3)
I (X
n
4
)
I P( X 1)
I I
rb
I
X3 X4
cbo
b
图 2.4 电流传输示意图
（1）发射结正向偏置--发射电子 由于发射结正向偏置，因而外加电场有利于多数载流子的扩散运动，高掺杂发射区 的多数载流子（电子）将向基区扩散（或注入）；同时，基区中的多数载流子（空穴） 也向发射区扩散并与发射区中的部分电子复合。因此，发射极的正向电流 I e 是由两部分 电流组成的：一部分是注入基区的电子扩散电流 I n ( X 2 ) ,这股电流大部分能够传输到集 电极，成为集电极电流 I c 的主要部分；另一部分是注入发射区的空穴扩散电流 I p ( X 1 ) , 这股电流对集电极电流 I c 无贡献，且还是基极电流的 I B 一部分,所以有：
I c = I n ( X 4 ) + I cbo
从上面对电流传输机理的分析，可得：
集成电路——双极型晶体管
基极金属 和硅的接触电阻以及 基极接触孔下的基区电阻
B
E
发射区 扩散层下的
基区电阻
发射区扩散层 边缘到基极接触孔边缘的
外基区电阻
rB3 rB2 rB1
2021/4/22
集成双极晶体管的无源寄生效32 应
§2.5 MOSFET的单管结构及工作原理 • 单极器件：只有一种载流子参与导电
源极
n+
栅极
绝缘层（SiO2）
2021/4/22
理想本征集成双极晶体管的EM1模7 型
§2.3 集成双极晶体管的有源寄生效应
双极晶体管的四种工作状态
S
IS
E(n+)
VBC
p I3 n I2
IB p n I1
V3 B(p)
IC C pnp
V2
npn C(n)
V1
S(p)
反向工作区
(反偏)
截止区
(正偏)
饱和区 VBE
(正偏)
正向工作区
大部分被集电极反偏结收集：I
( 接近于1）
c
Ie
I c bo
Ie
I • 具有电流放大作用： c
Ib
2021/4/22
5
E
N
P
C N
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。
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
E C
rC3
L T
bL
rC 3
T
WL
ln( a b ) ab
集成电路中的晶体管及寄生效应
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.
30
2.7 MOS集成电路中的有源寄生效应
1 场区寄生M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
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
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。
8
IE
IB
I1 I2 I3 I S’
集成电路中晶体管及其寄生效应
rE ,c
Rc SE
2.3.1 集成NPN晶体管中的寄生电阻
２. 集电极串联电阻rCS rC SrC1rC2rC3
2.3.1 集成NPN晶体管中的寄生电阻
２. 集电极串联电阻rCS
R1= epi*lch*cwc
R5=
epi*
hb le*we
增加n+埋 层、穿透 磷扩散、
EC B
2.4.1 横向PNP管
二. 横向PNP管的电学特性
3. 击穿电压低，由c-e穿通电压 决定，突变结近似： VPT=qNBWbL2/2osi
4. 特征频率低 (受WbL和寄生PNP影响)
5.临界电流ICr小。
EC B
2.4.1 横向PNP管
三. 横向PNP管常用图形
1.单个横向PNP管
结构简单，面积小
BC P N+
P+ N–-epi
P+
P-Sub
2.5.1 一般集成二极管
7.单独SC结
VF=VSCF BV=BVSC Cj = Cs Cp= 0 无寄生PNP管
C N+ P+ N–-epi P+
P-Sub
从表2.2中可以看到：
(1)BC短接二极管，因为没有寄生PNP效应，且 存储时间最短，正向压降低，故一般DTL电路的 输入端的门二极管都采用这种接法；
△V=VBE-VBC
B(P)
PNP
S(P)
EB
P+
P N+
N–-epi
P-Sub
NPN
C(N)
C
N+
P+
2.3 集成双极晶体管的无源寄生效应
集成电路设计原理第二章 集成电路中的元器件及其寄生效应
(4)扩散穿通型超增益管
的特点
①采用圆形发射区
（周界短,受表面态
影响小）
②应用时BC结偏置限
EB C
制在0V左右（减小基 P+
P NN++ P
NN++
P+
区宽度调制的影响）
N–-epi P-Sub
2021/6/30
30
2.1.8 练习
集成电路设计原理
1. 分别画出单基极条形和双基 极双集电极结构的NPN晶体管的剖 面图，并说明埋层的作用。
集成电路设计原理
2.1.4 集成NPN晶体管的无源寄生效应
2.集成NPN晶体管中的寄生电容
集成晶体管中寄生电容分成以下三类： （1）与PN结有关的耗尽层势垒电容Cj； （2）与可动载流子在中型区的存储电荷 有关的扩散电容CD。 频（下3，）C电pa极d。引很出小线，的可延忽伸略电不极记电。容Cpad。低
集成电路设计原理
2.1.1 集成NPN晶体管的结构
等
平
效 B(P)
面
电
图
路 PNP
图
S(P)
剖
面 图
P+
EB C
P N+
N–-epi
N+
P+
P-Sub
等
效 结
B
构
图
E(N+) NPN
C(N)
Eቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
N
+
P
N
C
P
S
集成电路设计原理
2.1.2 集成NPN晶体管与分立NPN晶体管的差别
（1）四层三结结构，构 成了一个寄生的PNP
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20
NPN管工作于截止区 VBE(npn)<0 VBC(npn)<0 VEB(pnp)<0 VCS (npn)>0 VBC(pnp)>0 NPN管工作于放大区
寄生PNP 管截止
VBE(npn)>0
VBC(npn)<0 VEB(pnp)<0 VCS (npn)>0 VBC(pnp)>0
34
附：拐角薄层电阻的计算公式推导
I I(X) = L *X
L
dV(X)=I(X)*R*
L
•
W
dx
2 2 dx I P= I(X) * dV(X) = R• * ( ) *X * 0 W 0 L L 2 1 L 1 = R• * * I = Reff * I2 Reff = R* 3 W 3 • W
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。
12
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。
7
EM模型 （Ebers and Moll，1954）最简单的模型
1、基本模型
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
模型参数： IFO，IRO
F , R
四个参数中只有三个 是独立变量
VBE I F I Fo exp V th VBC I R I Ro exp V th 1 1
15
IE
IB
I1 I2 I3 I S’
IC
图2.1 N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
I E R I R I F
F I FO R I RO
IC F I F I R
I B (1 F ) I F (1 R ) I R
8
2、改进的EM模型 计入了串联电阻、耗尽电容、并用电流源描述early效应
9
10
11
2.2 集成双极晶体管的有源寄生效应
无源寄生效应 电荷存储效应 C j C D 欧姆体电阻
Cjc
Cjc
29
2.3.1 集成NPN晶体管中的寄生电阻
1．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rE,c与发射区的体电阻rE,b两部分组成： rES＝ rE,c＋ rE,b≈ rE,c=
Rc SE
SE为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。
1
2.1 BJT的模型
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
设计器件
BJT模型分类
设计电路
模型的精度和复杂度
直流模型（大信号）
交流模型（小信号）
瞬态模型（突变信号）
EM模型 （Ebers-Moll model) GP模型 （Cummel－Poon model） 电荷控制模型
2
p-n结二极管的分析和模拟是双 极结型晶体管（BJT）原理和 模拟的基础。 BJT是由两个背靠背的p-n结，并 由一个半导体薄区串联而成的。 在发射结处于正向偏压（低阻 抗），而集电极处于反向偏压 （高阻抗）下，由发射结注入 的少子电流几乎全部输运到集 电结，使器件具有放大作用。 当器件状态处于有源区时，就 有功率增益。
寄生PNP管处 于放大区
22
基本概念
1 埋层的上反扩散-在工艺制造过程中的各高温条件下，在浓度 梯度的作用下，高浓度的n型埋层向低浓度的n型外延层的扩散。 2 埋层的下反扩散-在工艺制造过程中的各高温条件下，在浓度 梯度的作用下，高浓度的n型埋层向低浓度的p型衬底的扩散。 3 典型集成电阻的三层二结结构-指p型扩散电阻区-n型外延层-p 型衬底三层，以及三层之间的两个pn结这样的工艺结构。 4典型集成晶体管的四层三结结构--指npn管的高浓度n型扩散发 射区-npn管的p型扩散基区-n型外延层（npn管的集电区）-p型 衬底四层，以及四层之间的三个pn结这样的工艺结构。 5 有源寄生-存在寄生晶体管的现象，可为寄生pnp管（衬底参与 构成的pnp管），也可为寄生npn管（多发射极输入晶体管各发 射区与基区构成的npn管）。 6无源寄生-存在寄生元件的现象，可为寄生电容，也可为寄生 电阻。
14
集成NPN的结构与寄生效应
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， 即NPN管的高浓度n型扩散发射区-NPN 管的p型扩散基区-n型外延层（NPN管的 集电区）-p型衬底四层，以及四层之间 的三个pn结这样的工艺结构。
第2章 集成电路中的晶体管及其寄生效应
2.1 集成电路中的双极晶体管模型 2.2 集成双极晶体管的有源寄生效应 2.3 集成双极晶体管的无源寄生效应 2.4 集成电路中的PNP管 2.5 集成二极管 2.6 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
生PNP发射结是反偏的； 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。
17
集成NPN管的寄生效应
rcs
寄生PNP 管EB结 寄生PNP 管BC结
Ccs
Ccs
rcs
18
集成NPN管的有源寄生效应
四层三结结构 ：典型集成晶体管的四层三结结构-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 ） 。 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。
寄生PNP管截止
21
NPN管工作于饱和区
VBE(npn)>0
VBC(npn)>0 VEB(pnp)>0
VCS (npn)>0 VBC(pnp)>0
NPN管工作于反向工作区
寄生PNP管处于 放大区
VBE(npn)<0
VBC(npn)>0 VEB(pnp)>0
VCS (npn)>0 VBC(pnp)>0
B
发 射 区
E
n+
P
B
外延层(集电区) Nepi
C
基 区
低阻衬底N+
C 分离双极型NPN晶体管（BJT）的结构
13
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。
所谓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。 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。
26
27
2.3 集成双极晶体管的无源寄生效应
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和寄生电容： CD 扩散电容， CJ 势垒电容（CBE， CBC，CCS）， Cpad 焊盘电容
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集成双极晶体管的无源寄生效应
6
加上Kirchoff定律规定的二个方程：
I E I B IC 0
VEB VBC VCE 0
构成四个方程。假如Aij确定的话，四个 方程中还有6个未知的电流和电压参数。 如果给出二个电流或电压值，其它四个 电流与电压值就可确定。这四个公式对 于晶体管模拟是非常有用的，尤其是在 计算机辅助电路分析中，而且并不仅仅 限制在低水平注入条件。这些方程通常 称为Ebers-Moll方程。
25
（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。
NPN
C(N) E
N + P N P
剖 面 P+ 图
P-Sub
E B N P
+
C
N+
N–-epi
P+
等 效 B 结 构 图
C S
5
Ebers and Moll 晶体管方程
为了更容易地分析含有BJT的电子电 路，通常将BJT模拟为二端电路元件。 用二个电流和二个电压足以能分析BJT 的工作原理，这里将BJT模拟为黑匣子 （black box）。NPN晶体管的共基极连 接如图所示，图中表示输入电流IE和电 NPN晶体管的共基极连接， 压VBE，以及输出电流IC和电压VBC。BJT 晶体管表示黑匣子 可以看作二个耦合的二极管，其电流-电 压方程与二极管的电流-电压方程相类似。 事实上，这些方程可为：