精品课程IC原理2章集成电路中的晶体管及其寄生效应ppt课件

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IE
IB
I1 I2 I3 I S’
IC
图2.1 NPN晶体管的结构示意图 15
由于存在寄生PNP晶体管，因此与分立晶体 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
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
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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。
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
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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
qVB E IE A e 11
I C A21
e
/ kT
qVB C 1 A e 12
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qVB E / kT
1 A e
/ kT
1
qVB C / kT
1
式中Aij为晶体管内部设计系数（耦合系数）。这里输入电 流IE和输出电流IC用输入电压VBE和输出电压VBC表征。
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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。
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。
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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。
NPN双极型 晶体管示意图
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NPN BJT是两个半导体晶体的n型区 由中间的p型区耦合起来的；而PNP BJT 是两个p型区由中间的n型区耦合起来的。 实际上，所有三个区域都是半导体单晶 的一部分。在这种器件中，电流的描述 涉及空穴和电子的运动，所以称作为双 极型晶体管。4Ebrs and Moll 晶体管方程
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。
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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
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pn结隔离
pn结隔离是利用反向pn结的大电阻 特性实现集成电路中各元器件间电性隔 离方法。常规pn结隔离在工艺上是通过 隔离扩散扩穿外延层而与p衬底连通上实 现的，（或称各隔离墙均有效）；应该 强调的是，采用常规pn结隔离工艺制造 的集成电路在使用时必须在电性能给予 保证，即p衬底连接电路最低电位（保证 隔离pn结二极管处于反向偏置）。
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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
设计电路
模型的精度和复杂度
BJT模型分类
直流模型（大信号）
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
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交流模型（小信号）
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，并由一个半导体簿区串联 而成的。虽然分立的二极管没有放 大作用，但是当它们由一个纯的单 晶，结构完整的半导体簿区耦合起 来时，这种器件就变成了有源器件， 并具有好的功率增益。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。
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
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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
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2.2 集成双极晶体管的有源寄生效应
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：
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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。