集成电路中的晶体管及其寄生效应

E C 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
E C B
4. 特征频率低 (受WbL和寄生PNP影响) 5.临界电流ICr小。
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
2.4.1 横向PNP管
三.横向PNP管常用图形 2.多集电极横向PNP管
E E
B
C1 C2 C3 C1 C2
B
常用在比例电流源电路中
2.4.1 横向PNP管
三.横向PNP管常用图形 3.可控增益横向PNP管
E IC C
IBO IB
B
ICO (Co)
多集电极结构的应用 IC IC β= = IB IBO+ICO IC AC ≈ = ICO ACO
+
C
N+
N–-epi
P+
2.2集成NPN晶体管的有源寄生效应
6. 减小有源寄生效应的措施
E(N+)
B(P) ③要提高有用电流的比值,减 NPN 少寄生PNP管的影响,就要 减小aSF和增大△V。采用掺 PNP 金工艺及埋层工艺可以减小 C(N) S(P) aSF；而增大△V ，可以采 用肖特基二极管（SBD）对 E B C BC结进行箝位，使VBC下降 N N 为0.5V左右,这样使IS下降到 + P + P P N–-epi 原来的1/50，在STTL电路 中就是用此法来降低IS的。 P-Sub
+ +
C
N+
P+
N -epi
P+
P-Sub
N+
2.1集成NPN晶体管常用图形及特点
（4）双射极双集电极形
与双基极双集电极形 相比： 集电极串联电阻小 面积大 寄生电容大 C N
+
P+
N -epi
B E E N N P –
+ +
C
N+
P+
P-Sub
N+
2.1集成NPN晶体管常用图形及特点
（5）马蹄形
R3 R
2
R1
2.3.2 集成NPN晶体管中的寄生电容
集成晶体管中的寄生电容会使管子的高频性能和开关性能变坏 （1）与PN结有关的耗尽层势垒电容CJ (2)与可动载流子在中性区的存储电荷有关的扩散电容CD (3)电极引线的延伸电极电容Cpnd,一般情况下Cpnd很小,可忽 略不计。 1. PN结势垒电容CJ 2. 扩散电容CD 扩散电容反映晶体管内可动少子存储电荷与所加偏压的关系
图2.19 复合PNP管的电路接法和等效符号
（a）电路接法；（b）等效电路；（c）版图示意图
2.4.2 衬底PNP管
由上面的分析可知,横向PNP管的 F , f , ICr 都比 较小,只能用于小电流的情况。如果用下图 所示的衬底PNP 管,则可在较大的电流下工作。
C
P+
E P N–-epi
等效为寄生电容 E B N P
+
C
N+
B(P)
P+
P-Sub
N–-epi
P+
NPN CJS C(N)
2.2集成NPN晶体管的有源寄生效应
4. NPN晶体管饱和或反向有源时
E(N+)
VBC>0 VSC<0 寄生PNP晶体管正向有 源导通。
B(P) NPN PNP
S(P) C(N)
P+
P-Sub
E B N P
P+ P-Sub
B P
E N+ N–-epi
C+ N P+
2.5.1 一般集成二极管 4. C开路
VF=VBEF BV=BVBE Cj = Ce Cp= Cc*Cs /(Cc+ Cs） 有寄生PNP管
P+ P-Sub
B P
E N+ N–-epi
C+ N P+
2.5.1 一般集成二极管 5. E开路
VF=VBCF BV=BVBC Cj = Cc C p= C s 有寄生PNP管
P+ P-Sub
E+ B N P N–-epi
C+ N P+
2.5.1 一般集成二极管 6. 单独BC结
VF=VBCF BV=BVBC Cj = Cc C p= C s 有寄生PNP管
P+
B P N–-epi
C+ N P+
P-Sub
N -epi
P+
2.1集成NPN晶体管常用图形及特点
（2）双基极条形
与单基极条形相比： 基极串联电阻小 电流容量大 面积大 寄生电容大 B E B N P –
+
C
N+
P+
N -epi
P+
N+
P-Sub
2.1集成NPN晶体管常用图形及特点
（3）双基极双集电极形
与双基极条形相比： 集电极串联电阻小 面积大 寄生电容大 B E B C N N P –
+
C
N+
N–-epi
P+
有电流流向衬底， 影响NPN晶体管的正 常工作。
2.2集成NPN晶体管的有源寄生效应
5. 减小有源寄生效应的措施
B(P) E(N+) NPN PNP S(P) C(N)
增加n+埋层 ①加大了寄生PNP晶 体管的基区宽度 ②形成了寄生PNP晶 体管基区减速场 P+
P-Sub
E B N P
2.5.2 集成齐纳二极管和次表面齐纳管
1. 集成齐纳二极管
（3）VZ的离散性大，由于VZ由多次扩散决定，所以VZ值的 精确控制较困难，一般NPN管的BVEBO的容差在±200mV。 （4）输出噪声电压较大。因为击穿主要发生在Si表面,所 以受表面的影响大。
齐纳二极管的特性要求
①动态电阻小 ②击穿电压稳定 ③噪声小
2.4.2 衬底PNP管
2. 不足
衬底PNP管由于其集电极固定接电路的最负电位，因 而限制了它的应用。
2.4.3 自由集电极纵向PNP管
与对通隔离工艺兼容的自由集电 极纵向PNP管的横截面图
图2.21
2.5 集成二极管（讨论）
2.5.1 一般集成二极管 1. B-C短接
VF=VBEF BV=BVBE Cj = Ce C p= C s 无寄生PNP管效应
we dce wc le lc
R5
R4
hb
R
3
R1
R2
hc
2.3.1 集成NPN晶体管中的寄生电阻 3. 基区电阻rB
rB rB1 rB 2 rB3
2.3.1 集成NPN晶体管中的寄生电阻
3. 基区电阻rB
基极串联电阻引 起发射极电流集边效 应，还影响高频增益 和噪声性能。主要由 R2、R3决定（ R1可 以忽略）。
2.3.2 集成NPN晶体管中的寄生电容 集成NPN晶体管中的寄生电容：
寄生电容包括： 发射结电容、 集电结电容、 隔离结电容。 PN结电容包括： PN结势垒电容 PN结扩散电容。 有底面和侧面电容。
2.4 集成电路中的PNP管（讨论）
在集成电路中常用的PNP管主要有: 横向PNP管 衬底PNP管 自由集电极纵向PNP管
2. 多集电极横向PNP管
图2.18 多集电极横向PNP管
（a）电路符号；（b）版图
3. 大电流增益
C 的复合PNP管 F
在某些应用中,要求PNP管的电流增益很大,此时可用复合PNP管。 复合PNP管的组成如图2.17所示。由图可见，复合PNP管的全部偏压的 极性与PNP管相同，其 C （详见第12 F F , PNP F , NPN F , NPN 章12.1节的介绍）。
B
E
C
2.4.1 横向PNP管
三.横向PNP管常用图形 4.多发射极多集电极横向PNP管
基极等电位的横 向PNP管共用一 个隔离区
2.4.1 横向PNP管
三 .横向PNP管常用图形
5.大容量横向PNP管
1. 横向PNP管
图2.13
横向PNP管的结构
（a）工艺复合图；（b）横截面图
图2.17多个PNP管并联以提高Ic （a）复合版图；（b）等效电路
P-Sub
2.5.1 一般集成二极管 7.单独SC结
VF=VSCF BV=BVSC Cj = Cs C p= 0 无寄生PNP管
P+
C N+ 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； (2)单独BC结二极管，因为它不需要发射结，所以 面积可以做得很小，正向压降也低，且击穿电压高。
2.4.1 横向PNP管
一. 横向PNP管的结构和有源寄生效应
横向PNP管 E(P) PNP C(P) 正向有源、 反向有源、 饱和三种工 B(N ) P-sub P-sub 作模式下， 寄生的纵向 C E P N P PNP对其工 N 作都有影响。 B
P S
E C B
2.4.1 横向PNP管
二. 横向PNP管的电学特性 1. BVEBO高，这主要是由于XJC 深、pepi高之故。 2.电流增益β 低，改善措施： ①降低e/b ②降低AEV/AEL ③设n+埋层 ④改善表面态 ⑤减小WbL，加大Wbv *β 大电流特性差