《数字集成电路基础》18 Bicmos

BJT Mos
BJT
Mos
图一 输出特性
Vce,Vds
wk.baidu.comVbe
Vt
图二
转移特性
Vin
② BJT的输出电流随输入电压上升的变化快的多
对于BJT， Icexp(qVBE/KT)
对于MOS , IDS(VGSVT)2
③BJT存在基极电流．
２．二类IC的差别
①双极型IC 优势为： Ａ：在高速时对电容负载有较强的驱动能力； Ｂ：在恶劣的工作环境下比MOS具有更高的可 靠性； Ｃ：模拟精度高． 缺点为： Ａ：电荷存储效应使延迟增加； Ｂ：要求有输入（基极）电流，使形式复杂， 如要用电阻． Ｃ：功耗大，限制了集成度．
各类电路优值比较：
四、BiCMOS
双极型电路具有带负载能力强，工作速度快(尤其 是ECL电路速度最高)的长处，而 CMOS门电路具有功 耗低、抗干扰好(包括温度特性稳定性高)，集成密度 大，价格便宜等优势。但电流驱动能力低。
BiCMOS工艺是将双极与CMOS器件制作在同一 芯片上，这样就结合了双极器件的高跨导、强驱动和 CMOS器件高集成度、低功耗的优点，使它们互相取 长补短、发挥各自优点，从而实现高速、高集成度、 高性能的超大规模集成电路。
BiCMOS的输入门电路采用CMOS工艺，其输出 端采用双极型推拉式输出方式，既具有CMOS的优势 ，又具有双极型的长处，已成为集成门电路的新宠。
最早的BiCMOS是用CMOS做高集成度低功耗 的部分，双极仅用来做I/O部分，后来将BJT也集 成到逻辑门中．
五、BiCMOS反相器
特点：
在CMOS反相器的基础上
ＣL充满后，Ｖbe1下降，Ｔ1截止． ＣL放电时的情况可做类似分析．
优点： ①．此反相器静态功耗也为０； ②． R1,R2,T1,T2 的加入将增加２０％的面积，但由于
驱动能力的增加， BiCMOS 的实际集成度比CMOS 有所增 加．因为如果ＣL较大，Ｍ１和Ｍ２要做得很大，而BiCMOS 中Ｍ１，Ｍ２可以做的较小；
(1)深沟隔离
先刻沟槽，然后用SiO2或Poly-Si填平 ➢ 器件面积↓ ➢ 寄生电容↓ ➢ 集成度↑ ➢ 速度↑
(2)多晶硅发射极
在发射区上淀积多晶硅，给多晶硅掺杂，退火，使 杂质扩散到单晶硅上形成发射区。β可增加3~7倍。
数字电路中β不需要很大，但可以换取提高基区掺 杂浓度，进而可减小基区宽度，fT↑，而基区穿通电 压不下降，缓解了β和fT的矛盾。
增加了R1,R2,T1,T2.
Vin
M1
R1 M2
Vdd T1
Vo
CL
R2
T2
工作原理：
当Vin为0或者1时，没有电流流过两个电阻，Vbe1=Vbe2=0， T1，T2都截止。
当Ｖo从０到１时，驱动CL的电流流过Ｒ１时，产生一个压 降使T1导通，给ＣL提供附加的充电电流，因此比普通的CMOS 速度更快．
② MOSIC 优势为： Ａ：功耗低； Ｂ：结构简单，集成度可显著增加。 缺点为： Ａ：栅氧化层很薄，脉冲电压很容易损坏； Ｂ：电流驱动能力低，在驱动较大的电容负载，
如时钟线，控制信号线等时，延迟较大。
3. 各类电路的特点
① TTL具有中等的速度，门延迟小于1ns，可靠性高， 由于功耗问题，一直被限制在LSI的水平．
1. BICMOS反相器和门电路的输入输出特性 BiCMOS门电路的输入特性与CMOS门电路完全
BiCMOS
缺点：
存在直流输入电 流，基极电流
饱和区中存储电 荷上升
开态电压无法成 为设计参数
功耗大 开关速度慢
设计BJT的关键： 获得尽可能大的IC和尽可能小 的IB
二、先进的双极工艺
双极型的一个重要特点是纵向尺寸无法跟横向 尺寸成正比缩减，这使得双极工艺始终落后于MOS 一到二代。 BJT最重要的是β和截止频率
③扇出系数大，且速度快； ④双极推挽器件隔开了CMOS 和负载，不同的CMOS 电路单位负载延迟一致； ⑤Vbe比VT更容易精确控制，因此更容易得到良好的匹 配对．
其他的BiCMOS反相器
BiCMOS反相器电路
六、BiCMOS门电路
(a) BiCMOS或非门
(b) BiCMOS与非门
七、BiCMOS的外部特性
② STTL中等速度，集成度高，功耗较低，可以达 VLSI.
③ ECL速度最快，门延迟小于100ps,功耗大，只能 集成几千门．目前最快，用于高速中央主机．
④ nMOS速度较快，门延迟小于１ns, 尺寸小，适合 VLSI，功耗比CMOS大，应用受到限制．
⑤ CMOS速度较高，静态功耗为零，是VLSI的主流， 随着尺寸的越来越小，速度越来越快，集成度受 动态功耗的限制．
(4)自对准BJT技术
发射区与基区自对准，用一层绝缘侧墙将它们分开， 不存在套刻的问题。
有双层多晶硅自对准和单层多晶硅自对准。双层更 好。
工艺：
隔离完成后，刻掉有源区上的SiO2，淀积多晶硅，掺P型 杂质，再长一层SiO2 ，刻发射区，刻去发射区上的SiO2和多晶 硅。高温氧化使发射区窗口和多晶硅侧壁长一层SiO2 （多晶硅 氧化较快，上面的氧化层较厚），干法刻蚀形成侧墙（侧墙的 厚度和质量非常重要）。发射区注入并退火，淀积N型多晶硅 作发射极。
(3)异质结BJT
发射区电流注入效率:
neve exp(Eg )
Pbvh
kT
当Eg
0.2eV时，exp(Eg kT
)
2000
所以要想办法使发射区材料的Eg> 基区材料的Eg 。 采用外延基区技术，如外延SiGe合金作为基区，这 就是异质结BJT(HBT)。
用途：高频电路，如射频和微波器件
深沟隔离结合局部氧化(LOCOS)，双层多晶硅自对准技术联合应用的器件结构
三、 Bipolar与MOS的比较
１．二类晶体管的差别
① BJT的输出电流Ic为常数时的电压Vce≈0.3V,很
小，而MOS管Ids接近常数时，电压Ｖgs- VT比Ｖce大
得多；
Ic,Ids
Ic,Ids
Vce为 常数
Vds为常数
截止频率↑：Wb↓,寄生结电容↓ β↑：发射区掺杂浓度/基区掺杂浓度↑注入效率↑
但是，基区掺杂浓度太低容易发生基区穿通， 所以一般提高发射区掺杂浓度，但发射区浓度太高， 杂质高度简并，会使Eg ↓，少子复合↑ ，注入效率↓， β↓
综合考虑，先进双极工艺有：
➢ 先进的隔离 ➢ 多晶硅发射极 ➢ 异质结BJT ➢ 自对准结构