寄生效应

1.0 双极寄生
在集成电路中，用反偏pn结隔离双极器件，存在一些潜在的寄生效应，同时，在一单外延区域集成一个以上器件也产生了更可能的寄生效应。

此寄生效应大多数是以不希望的pnp或npn晶体管出现。

所以，这个章节将不着重分析双极晶体管中寄生电容与寄生电阻的混合模式，但会着重关注由寄生pnp或npn管产生的电路工作中的变化。

因为结隔离的IC中，所有器件公用一个电衬底，电路同一性直接依赖于版图。

由于这些原因，设计工程师将会仔细观察IC的版图，约占设计工作的50%，可能的寄生以及它们对电路工作的影响将会用容易理解的电子/空穴注入理论完全的评价，连同IC的真正环境以及电路如何在那样的环境中工作一起完整的评价。

1.1 寄生pnp
1.1.1 npn中的寄生pnp
单块结隔离电路的npn管的剖面图如图1.1.1a所示，p隔离和p衬底区域通常相对于npn集电区n外延区域是反偏的。

不管怎样，这些隔离和衬底区域指出了在npn结构中可能的寄生pnp管，这个pnp是由npn的p型基区，连同npn的n型外延，以及p型隔离岛/衬底形成的。

npn的p型基区既可以是寄生pnp的发射极，也可以是集电极。

正常工作下，衬底相对于外延是偏置很负的，如果npn是正向导通，那么，寄生可以看作是一个对衬底的反偏二极管和衬底与外延电容并联。

npn的饱和将会允许寄生pnp管开始工作，当npn饱和，bc结正偏，这也会使两个可能的寄生pnp中的其中一个的be结正偏，如图1.1.1b。

npn的基区现在也是衬底pnp的发射极，npn的外延是pnp 的基极，衬底是pnp的集电极。

在这种工作模式下，npn基区向外延注入空穴，这个空穴电流的一部分将会在外延复合掉。

不管怎样，相当多的空穴将会被衬底/隔离收集。

这些空穴来源于npn的正向基极电流，这个结果在npn饱和区Ie<Ic+Ib。

这个能被看作是将基极电流的一部分直接分流到衬底。

如果npn被在基极的一个低阻源驱动进入饱和区，寄生pnp将会引导大量的空穴电流到衬底。

如果隔离上没有足够的接触用金属连到衬底偏置，衬底电位可能比一些附近的外延区域高，由此引起的一些问题将在衬底注入章节讨论。

其他可以触发寄生pnp的条件是npn集电极的电位比衬底更低，这种情况下，npn基区是寄生pnp的集电极，衬底是发射极，npn集电极又是寄生pnp的基极，这个将会在后面章节的衬底注入部分描述，这种情况应该避免出现。

在npn正向导通工作时，寄生pnp是反偏的，可以看作是一个反偏的二极管和电容并联。

寄生pnp在npn结构中是必然存在的，不能够消除，通过将深磷保护环完全围住npn管基区，可以减少寄生pnp管的增益。

不管怎样，在这个时候，没有关于这种技术的数据资料。

1.1.2npn管中寄生pnp管所引起的问题：
图1.1.2a显示了一个常用的电流镜或比例电流源，如果其中的一个
晶体管，例如，Q4允许进入饱和区，或者集电极连到一个低电位或者接一高阻抗使其终止，那么，之前描述的寄生pnp管将会工作。

寄生管可以看作是连了个普通的基本结构，寄生p管的发射极连到电流镜基准的基极。

由Q6提供的基极驱动电流现在被寄生p管分流了。

这会引起基于Q1的Vbe基准关断。

电流镜已经试图通过在饱和n管基区周围加深N+保护环来避免这个问题。

在需要高度匹配和精确性电流镜的电路中，这种措施被证明是不适当的。

最好的解决方法是将电流镜中任何保护的n管独立分开，这会增加完成功能所需要晶体管的数量，如图1.1.2b。

1.1.3达林顿晶体管
双极版图中一个普通的实例是将晶体管和一个npn达林顿管放到同一个外延岛里。

这个技术引入了一个寄生的横向pnp管到电路中。

图1.1.3a和1.1.3b。

设计者应该意识到这个寄生p管确实存在，并且当Q1饱和时寄生管工作。

线性/模拟电路中，需要达林顿管的有效增益或hfe成平方，寄生p管是不需要的，这种类型的电路是有偏的，以至于Q1和Q2工作在线性区，寄生p管将会关断。

不管怎样，如果在器件版图中，达林顿管没有适当的实现，寄生p管可能在器件末端当Q1的bc结反偏时导通。

图1.1.3b指出有单个集电极接触的npn 达林顿管远离更大的输出达林顿管，有足够大的集电极电流流过，外延和埋层电阻将会是Q1和Q2基区之间的集电区电位比Q1的基区低，这会引起寄生p管工作，获取Q1的基极电流，并且直接流入Q2的基极。

这不仅会降低达林顿管的有效电流增益，而且能引起自激。

因为
Q1基极驱动的减小会降低总的集电极电流，外延的I*R压降将会减小，这将会关断pnp管，Q2增加的基极驱动电流将会引起集电极电流上升，直到外延的I*R压降又再引起寄生p管工作。

在一定的偏置条件下，这将会产生一个电流增益小于期望值的自我限制器件。

无论如何，这可能也会产生一个重复周期或自激振荡。

当设计一个npn达林顿管时，要确认解决了集电区电阻，并保证有足够的集电极面积，接触和金属化，以至于外延电位不会低到基区以下。

1.1.4合并的npn
在同一外延岛内合并npn管产生的横向pnp管引起的问题，达林顿管不是唯一的情况。

图1.1.4a显示了在同一外延岛内合并两个npn管可能引起的的问题。

这是个普通的或非门电路。

Q1和Q2管的集电极短接在一起，很明显，通过用一个公共的外延区做两个晶体管的集电极可以节约硅面积。

基本上，当加信号A或B是高电位（电位足够高，打开Q1或Q2并且饱和），输出C是低。

不管怎样，认为如果由高阻抗源驱动，使信号A为高，B为低，（例如B被一个大电阻拉低），在这种条件下，Q1将饱和，Q1的基区将注入空穴到外延，Q2的基区作为集电区收集这些空穴，引起B信号相对于其他逻辑门出高，正向电流将流进Q3和其他任何连到B的npn管的基区。

有种办法可以用来允许同一外延岛内的两个npn管，为了这种逻辑应用而合并，那就是在两个npn的基区之间放置一块p型区域。

给这个p型区域适当的偏置，使其收集任何一个npn管基区发射的空穴，阻止寄生电流流到其他基区，偏置在这个额外的p型区域的电位是衬底
电位，这个IC中的最低电位，这个结果显示在图1.1.4b的版图中。

1.1.5连到npn的二极管
Npn管的一个通常用法是作为一个eb结二极管，基极连接成正极，发射极作为负极。

如果连到npn的二极管的集电区（外延）不再浮动，集电极将会呈现一个比基区低约0.7V的电位，这个将会开启衬底pnp管，产生一个不希望出现的大电流，从基极节点被拉走。

当用eb结二极管连到晶体管，外延和基极经常短接，以防止寄生pnp 管开启。

1.1.6肖特基晶体管中的寄生pnp管
最近发现的另一寄生pnp管是在肖特基箝位晶体管中的寄生横向pnp 管。

图1.1.6a显示了典型肖特基箝位npn管的剖面。

肖特基为二极管是这样形成的。

通过延伸基区接触窗口到外延上，并且在轻掺杂的外延区域接触处引入铂硅化物。

在一定的面积和电流密度下，肖特基二极管比基区-外延二极管由更低的正向导通压降，所以，当npn偏置到趋向于饱和时，肖特基管开始导通，并且阻止了npn管基极电流的进一步增加。

同时，常规理论指出，通过外延电子的注入，肖特基管将会导通，因此，在外延没有少子(空穴)贮存。

不管怎样，最近的数据显示，肖特基二极管在足够的电流密度下，肖特基结确实出现了空穴注入。

在目前，由肖特基引起的这个空穴注入的物理机理还没有理解。

这个现象的结果是，在足够的电流密度下，肖特基将会注入空穴到外延中，空穴能够被npn基区收集，这个结果在一个寄生的横向pnp管中，如图1.1.6b。

同时，注意到肖特基箝位npn管的结构和寄
生pnp管。

这些将在以后介绍，这是一个可控硅电路，需要更过分析来理解这个问题，防止寄生的可控硅发生闩锁。

1.1.7横向pnp管中的寄生pnp管
典型的结隔离的横向pnp管的剖面图如图1.1.7a，发射区和集电区通常通过扩散形成（扩散也适合形成npn管的基区），基区由n型外延形成。

为了提高对应面积的电流，横向pnp用特殊的深P+扩散形成发射区和集电区。

下面关于寄生pnp管的讨论适用于这两种类型的pnp管。

基本的横向pnp管有两个合在一起的寄生管，如图1.1.7b 所示。

Q2是横向pnp管的发射区和衬底/隔离之间的寄生管，既然横向pnp管的be结通常是正向偏置的，Q1任何时候导通，Q2都将工作。

幸运的是，只有很小的发射极电流作为寄生的衬底电流被浪费掉。

第二个寄生管是Q3，是由横向pnp管的集电极和p型衬底/隔离形成的。

当横向pnp管工作在正向导通区，Q3是截止的，因为Q1的cb结是反偏的。

如果Q1工作在反向模式或进入饱和状态，寄生管Q3将会工作，并且通过寄生管分流很大，一部分集电极电流流到衬底。

图1.1.7c 显示了典型的横向pnp管在线性区和饱和区的集电极电流和衬底电流的特性。

上面的曲线是在不同的Ib和Vce条件下的集电极电流值。

下面的曲线是寄生管Q3与横向pnp管相同偏置条件下的集电极电流值。

注意到当横向pnp管进入饱和区时，寄生管衬底电流较大，流过寄生衬底管的电流是浪费掉的，并且增加了电路总的耗散功率。

有两种减小寄生衬底pnp管增益的方法。

一种是在横向pnp管集电极周围加一圈深N+保护环。

在外延中n+-n-的浓度梯度产生一个电场，
这个电场将阻挡由横向pnp管集电区和发射区发射的空穴。

实际上，这将大大降低寄生衬底pnp管的增益（以及寄生衬底pnp管的电流）。

通过比较图1.1.7c和图1.1.7d。

设计工程师可以看出深N+保护环在降低寄生管增益方面相对的效果。

同时，图1.1.7e也显示了深N+保护环在减小寄生衬底电流方面的效果。

图1.1.7c、d和e只是用来举个例子，不能用作IC设计。

减小饱和横向pnp管的寄生衬底电流的另一种方法是用一个保护环，这个保护环是由和横向pnp管集电极相同扩散类型组成的，如图1.1.7f。

这个保护环和作为横向pnp管基极的外延短接，这个技术不是依靠空穴排斥来减小寄生的衬底电流，而是收集通常作为寄生衬底电流的空穴电流。

这个技术可以看作是加入了一个第二集电极，它和横向pnp管基极短接。

当横向pnp管工作在线性区，p型保护环起的效果很小，因为发射区发射的大部分空穴直接流到内部的集电极。

如果横向pnp管工作在饱和区，那么发射极和集电极都向外延注入空穴，这将成为寄生的衬底电流。

P型保护环收集大多数流向衬底/隔离的空穴电流。

因为保护环和横向pnp管的基极是短接的，这个正向电流要从提供给横向pnp管的基极电流中减去。

这样，当横向pnp管进入饱和区时，减小了寄生衬底pnp管的有效hfe。

注意到当横向pnp 管进入饱和时，它本身的有效hfe也会被保护环减小。

这点很重要，在应用中，将饱和横向pnp管的衬底电流维持在最小值很重要。

建议将深N+保护环和p型保护环结合使用，如图1.1.7g。

注意，p型保护环的使用确定减小了处在横向工作区的横向pnp管的有效hfe。

1.1.8多集电极横向pnp管
图1.1.8a显示了五个共基极pnp管构成的典型电流镜。

通常把所有这些pnp管放在单独一个n型外延岛内。

如果其中一个pnp管（本例中的Q4），由于驱动一个极高的阻抗或者开路而进入饱和，那么由Q4的发射极注入的空穴将会被Q4的集电极收集并且再次注入到外延区。

这种情况的产生是因为Q4的集电极电流在这些条件下已经为零。

对于任何相邻的反偏pn结来说，Q4的集电极已经变为一个发射极，再注入的空穴将会被隔离/衬底以及Q2和Q3的集电极收集。

同时，因为注入到外延的额外的空穴增加了电流镜总的基极电流，那么与Q4不相邻的pnp管的集电极电流将下降。

这个网络结果变为：Q2和Q3的集电极电流将会比预期的小，而同一外延岛内的其它pnp管的集电极电流将会比预期的小，饱和的pnp管应该放在单独的外延岛内，避开多管集电极电流镜。

这个讨论适用于有可能将超过一个横向pnp管放在一个外延岛内的任何场合。

图1.1.8b显示了这个讨论应用的其它两种例子。

通过判断pnp集电极或集电极的一部分（1/4、1/2等等）来调整pnp 电流镜是需要的。

如果这个没有用到的集电极电位没有偏置的比电流镜围成一圈的基极低，或者让其悬浮着，那么就和电流镜中饱和pnp 所描述的情况一样。

悬浮的集电极或者悬浮的部分集电极将向外延中再注入空穴，破坏了电流镜的工作。

避免这个问题的一个常用做法是将不同的集电极部分与隔离短接，（——）。

大多数情况下，这些没有
用到的集电极部分将会呈现处比衬底略高的电位。

当把没有用的集电极与发射极以及pnp电流镜的其它集电极部分隔开时，这个应当考虑。

1.1.9混合pnp管
由两种其它的寄生pnp管应该讨论一下。

第一种是寄生的横向pnp管，当一个p型区域（就像一个电阻）和另一个或更多p型区域（另一个电阻，npn的基区，pnp管的发射极与集电极）放在同一外延岛内，寄生pnp管就起作用了。

如果p型电阻呈现处比n型外延区高的电位，p型电阻将会注入空穴到外延中，这些空穴可以被同一外延岛内的任何其它p型区域收集。

这也将开启寄生的衬底pnp管，如图1.1.9a。

对电路工作带来的不利影响是，本应该通过电阻的电流被同一外延岛内的其它p型区域分流到其它节点。

这种情况可能引起逻辑或增益错误，或可能触发闩锁。

设计工程师应该仔细考虑位于同一外延岛内的多个p区的所有可能的偏置条件。

如果存在以下可能性：电阻比外延岛有更高的偏置，那么这个特定的电阻应该放在一个没有其它器件的单独的外延岛内。

通常IC设计中需要比npn中二极管反向击穿电压更高的二极管。

在这种情况下，基区-外延（基区-集电极）二极管就用到了。

通过把作为npn管基区的p型扩散区放在外延岛内，就形成了这种二极管。

这个给出了类似于npn二极管的正向压降，以及等于npn管Bvcbo的反向击穿电压，如图1.1.9b。

这种类型的二极管的pn结也是寄生衬底pnp管的eb结。

P型衬底是
集电极，这个寄生pnp的增益通常小于1。

如果二极管的正极连到一个相对于衬底很高的电位，那么寄生pnp的集电极-发射极电压也将很大。

如果二极管流过很大的正向电流，如1安培，寄生的衬底电流可以估计出（约为100mA）。

寄生pnp管所耗的功率连同不可接受的衬底电流一起将会极大的提高IC的温度。

最明显的改进是在二极管的p区周围完整的加一个深N+保护环，通过比较图1.1.7c和1.1.7d，可以看出深N+保护环在衬底电流上的相关作用，一种可以进一步减小衬底电流的方法是结合使用深N+和p 型保护环，类似于1.1.7g所示。

二极管的阳极取代了横向pnp管的集电极和发射极，二极管的阴极连到保护环。

另一个减小衬底电流的技术是使二极管剖面如图1.1.9c所示。

这个方法减小二极管中的空穴电流，增加了二极管中的电子电流。

结果是寄生pnp管中有很少的集电极电流，不要将图1.1.7c和1.1.7d用于IC设计图中。

这个时候，没有关于这些技术效果的数据。

同时，这些方法也确实增加了二极管在给定电流密度下所需的面积。

1.2 寄生闩锁器件
SCR（硅可控整流器）是线性电路中的特定应用，以指出器件是新生的或是闩锁的。

新生的意味着器件曾经开启，不需要控制或门限偏置用来保持器件导通，器件会持续工作，直到阳极或阴极中任何一端断开。

这个现象可以用图1.2a中两个模拟晶体管来解释，pnp和npn 晶体管是成对使用的，因此，假β（npn）+α（pnp）≥1，每个晶体管将另一个驱动进入饱和。

如果不出现门限电流，漏电流通常是小的，
因此，两个α都是小的，它们的和比联合的小。

这种情况下，SCR将不传导电流。

有3种途径可以使寄生SCR工作并闩锁。

第一种是简单的在阳极加一个比阴极至少高2V的电压，并且提供足够的正向门槛电流使npn工作。

当npn导通，它提供了pnp的基极电流，pnp又接着提供了npn 的基极电流。

在npn和pnp达到足够的电流，门限偏置可以去除，SCR 将会继续导通，这定义了闩锁的条件。

另两个开启SCR的方法包括由漏电流或Cdv/dt电流引起的正向门限电流的应用。

在SCR结构的正负极加上大的电压会发生漏电流开启。

在高温下，通过pnp结构的漏电流可以变得足够大，以开启npn，结果是SCR结构将导通并闩锁，如图1.2b。

图1.2c显示了与寄生SCR结构关联的寄生电容，如果有大的dv/dt 值的瞬时电压加到SCR的正极和负极，电容提供的电流（i=Cdv/dt）可能足够大，以至于打开了SCR。

1.2.1 合并器件
在pn结隔离的IC中，大多数SCR的产生是由于合并一个或更多的p 型区域到包含了npn管的外延岛。

图1.2.1a显示了可能产生闩锁的一种合并结构的剖面。

如果p区1到外延pn结变成正偏，空穴将会注入到外延中。

这些注入的空穴被隔离和npn管的基极收集。

如果npn的基极被一高阻驱动，大多数收集的空穴将作为npn的基极电流。

这个电流将会被放大npn管的β倍，并加到寄生横向pnp管的基极电流，如果没有办法去除正极到负极的正向偏置或者内部产生的基极电
流，那么横向SCR将在带电条件下闩锁。

一个普通的闩锁结构如图1.2.1b所示，这种结构在IC的逻辑区域是普遍使用的，在这个区域可能由一些电阻连同一个或更多npn管一起连到正向基准，如果存在一个大的npn管集电极电流，通过管子Rcs 的I*R压降可能在外延中产生足够的压降来正偏以电阻为正向的pn 结。

这将会注入空穴到外延中，空穴可以被npn管基极收集，如果基极连到一个高阻抗源，注入的空穴电流将会放大npn管的β倍，这也增加了npn的集电极电流，增加了Rcs上的压降，产生更多的空穴注入到外延中，结果达到闩锁条件。

另一个可能闩锁的关于合并器件的例子是，npn的集电极驱动衬底pnp的基极，当衬底pnp的eb结正偏，空穴将注入到外延中，这些空穴的大多数被p衬底收集。

不管怎样，这些空穴中的一些将会被npn管的基极收集，产生了额外的不希望的基极电流。

如果npn基极被一个高输出阻抗源驱动，npn基极收集的空穴电流将会放大npn的β倍，并且返回作为衬底pnp的基极电流，结果达到闩锁条件。

另一个可能产生的SCR是合并一个bc结二极管到有npn管的外延岛中，扩大的等效电路相当于图1.2.1a所示。

最明显的通过合并器件产生的SCR持续在IC版图中出现。

通过合并一个横向pnp管到有一个npn的外延岛中，并且npn驱动横向pnp的基极，就产生的SCR。

图1.2.1的显示了合并后的等效电路，甚至当横向pnp在正向工作区域，一些空穴电流也将会被衬底和npn基区收集。

所有以上讨论的关于寄生SCR的内容包括了寄生横向pnp的介绍，其可以通过在一个外延岛中合并一个p型区域（电阻、二极管、pnp管等等）和npn的基区来完成。

如果Hfe或者寄生横向pnp的α可以减小，那么α（npn）+α（pnp）≤1，SCR不可能触发。

一些版图技术已经得到发展，其通过合并器件来减小面积，并且减小寄生横向pnp 的Hfe，因此SCR不被触发，大多数明显的技术是在向外延注入空穴的p区四周加一深N+保护环。

不管怎样，经验显示，这种技术不能使寄生的横向pnp的Hfe足够小来避免SCR在整个温度范围内开启。

另一个技术是在注入p区四周联合使用深N+和p型保护环并且与外延短接。

这类似于图1.1.7g中所示的技术。

最后的技术是在注入p 区和同一外延岛内所有其它p型区域之间加一p型保护环，并连到衬底。

这在p区之间起到了一个衬底pnp集电极的作用，分流了空穴电流到衬底，减小了寄生横向pnp的增益，并且，当前没有数据证明这些技术在防止SCR于整个工作条件下闩锁的效果。

在前面讨论到的所有情况中，闩锁是这样产生的：从一个p型区注入空穴到n-外延中，再被npn管的基区收集。

以下情况中，在一个公共的外延区域合并器件是安全的：
如果任何情况下都没有空穴注入到公共外延岛中
如果存在疑问不要合并
如果空穴被注入到外延中，但是作为寄生SCR一部分的npn管的基极连到一个低阻抗，那么任何额外的基极电流都不会被放大npn的Hfe 倍。

有数据表明，用一个特殊类型的保护环加到注入的p区周围，可
以防止所有工作条件下的闩锁。

如果存在疑问不要合并。

1.2.2 偏置条件引起的SCR
图1.2.2a表示了一个作为射极跟随器工作的输出npn管，电阻（就像R1）串联到集电极，起限制电流作用。

这种类型的输出可以用来驱动感性的或其它类型的负载，这种负载能产生负脉冲。

如果R1的值没有仔细选择，在负脉冲期间，R1上的压降I*R可能变得足够大，让Q1的集电极成为衬底有关的负电位。

图1.2.2b显示了这种条件下的等效电路，这种特殊条件下的重要性不是闩锁的电位，而是个事实，当一个负脉冲应用于Q1的发射极，除了SCR的小串联电阻，没有限流电阻来限制短路电流。

当决定这种类型的电路组成时，要确定在脉冲或短路条件下，射极跟随npn管的集电极电位不能比衬底低。

1.3 衬底注入
衬底注入是一种术语，用来描述电子从某个外延岛注入到p型衬底的情况。

当一个普通的衬底（p型）-外延（n型）结由反偏变为正偏时，电子就注入到衬底，注入的电子在正向偏置结下移动，并且能被相对于衬底反偏的其它任何n型外延岛收集。

衬底注入导致不可预知的电路动作，这个动作是由初始设计没有考虑到的正向电流（超出节点）引起的。

如果图1.3d中收集注入电子的外延区域是npn管的集电极，那么寄生电流将会作为额外的集电极电流出现。

*在这个章节，所有讨论都假定衬底连到器件地，是IC的最负电位，除非其他注明。

如果注入到衬底的电子被pnp管的基极（n型）收集，寄生电流将导致不希望的pnp管基极电流。

大多数情况中，如果电子在错误的电路动作中，衬底注入就产生了。

衬底注入机制也能看作是在外延岛之间的寄生横向npn，相对于衬底为负的n型区域是发射极，衬底和隔离是基极，任何相对于衬底为正的n型外延区域可以作为集电极，如图1.3b。

1.3.1 衬底注入引起的问题
如前面描述那样，由衬底注入产生的寄生横向npn工作，可以产生错误的电路响应。

通常，这是由于在电路设计时没有考虑到的超出节点的正向电流产生的。

下面是一些由衬底注入带来的电路工作问题的例子。

图1.3.1a显示了一个普通差分输入电路。

如果一个与衬底有关的负电压加到任何一个输入脚，电子将从n型外延注入到衬底，形成了pnp（Q1和Q2）的基极。

注入的电子可以被任何偏置高于衬底的n外延区域收集。

如果这个无法控制的衬底电流足够大，没有直接连到输入脚的外延岛可能受到不利影响。

例如，如果Q的基极被输入信号（稳定状态或瞬时脉冲）拉到比地低，那么Q3和Q4的集电区将收集衬底电子，并且被拉到地。

至此，这是正确的逻辑状态，甚至如果增益受到了影响。

不管怎样，Q5的集电极也能收集一部分注入的衬底电流，并也被拉到地。

这是不正确的逻。