集成电路中的元器件及其寄生效应教学课件PPT.ppt

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1、2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,1,第二章 集成电路中的元器件及其寄生效应,元器件是组成集成电路的基本元素，其结构和性能直接决定着集成电路的性能。,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,2,2-1 集成电路中的NPN晶体管,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,3,思考题,1.集成NPN管与分立NPN管有什么不同？ 2.有源寄生效应有何影响？如何减小或消除？ 3.无源寄生有何影响？ 4.NPN管常用图形各自的特点是什么？,2005年7月 来逢昌,HIT Mi

2、cro-Electronics Center,4,2.1.1 集成NPN晶体管的结构,平面图,等效电路图,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,5,2.1.2 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晶体管（有源寄生） （2）电极都从上表面引出，造成电极的串联电阻和电容增大（无源寄生）,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,6,2.1.3 集成NPN晶体管的有源寄生效应 （1）NPN晶体管正向有源时,VBC0 VSC0 寄生PNP晶体管截止, 等效为寄生电容,20

3、05年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,7,2.1.3 集成NPN晶体管的有源寄生效应 （2）NPN晶体管饱和或反向有源时,VBC0 VSC0 寄生PNP晶体管正向有源导通。,有电流流向衬底，影响NPN晶体管的正常工作。,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,8,2.1.3 集成NPN晶体管的有源寄生效应 （3）减小有源寄生效应的措施,增加n+埋层 加大了寄生PNP晶体管的基区宽度 形成了寄生PNP晶体管基区减速场,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,9,2.1.4

4、多结晶体管E-M模型 （1）定义及结电流,端电流的定义,结电流的定义,结电压的定义,1 -R 0 -F 1 -SR 0 -SF 1,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,10,2.1.4 多结晶体管E-M模型 （2）直流模型表达式,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,11,2.1.4 多结晶体管E-M模型 （3）直流模型等效电路,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,12,2.1.4 多结晶体管E-M模型 （4）瞬态模型等效电路,2005年7月 来逢昌,HIT

5、Micro-Electronics Center,13,2.1.4 多结晶体管E-M模型 （5）简化模型等效电路（消除有源寄生）,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,14,2.1.5 集成NPN晶体管常用图形及特点 （1）单基极条形,结构简单、面积小 寄生电容小 电流容量小 基极串联电阻大 集电极串联电阻大,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,15,2.1.5 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,2005年7月 来逢昌,H

6、IT Micro-Electronics Center,16,2.1.5 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,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,17,2.1.5 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,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,18,2.1.5 集成NPN晶体管常用图形及特点 （5）马蹄形,电流容量大 集电极串联电阻小 基极串联电阻小

7、面积大 寄生电容大,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,19,2.1.5 集成NPN晶体管常用图形及特点 （6）梳状,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,20,2.1.6 习题,分别画出单基极条形和双基极双集电极结构的NPN晶体管的平面图（版图）和剖面图，并说明埋层的作用。,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,21,2-2 超增益晶体管,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,22,思考题,1.提高值的途径有哪些？

8、2.超增益管BC结的偏压为什么要限制在0伏左右？ 3.超增益管的发射区通常采用什么图形？为什么？,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,23,2.2.1 提高NPN管值的途径,提高发射区浓度（注意：重掺杂理论）,降低基区浓度（同时采用高阻外延）,减薄基区宽度 （加深发射结深度或 减小集电结的深度）,选择高寿命材料, 改善表面态,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,24,2.2.2 扩散穿通型超增益管 1.双磷扩散结构,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,25,

9、2.2.2 扩散穿通型超增益管 2.双硼磷扩散结构,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,26,2.2.2 扩散穿通型超增益管 3.超增益管的特点,采用圆形发射区 （周界短,受表面态影响小）,应用时BC结偏置限制在0V左右（减小基区宽度调制的影响）,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,27,2-3 横向PNP管,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,28,思考题,1.设n+埋层对横向PNP管有什么好处？ 2. 可控增益横向PNP管的原理是什么？ 3.横向PNP管

10、的发射区为何选用较小的面积？,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,29,2.3.1 横向PNP管的结构和有源寄生效,横向PNP管正向有源、反向有源、饱和三种工作模式下，寄生的纵向PNP对其工作都有影响。,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,30,2.3.2 横向PNP管的电学特性,1.电流增益低，改善措施： 降低e/b 降低AEV/AEL 设n+埋层 改善表面态 减小WbL，加大Wbv *大电流特性差,2.击穿电压低，由c-e穿通电压决定，突变结近似： VPT=qNBWbL2/2osi,3. 特征频率低

11、 (受WbL和寄生PNP影响),2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,31,2.3.3 横向PNP管常用图形 1.单个横向PNP管,结构简单，面积小,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,32,2.3.3 横向PNP管常用图形 2.多集电极横向PNP管,常用在比例电流源电路中,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,33,2.3.3 横向PNP管常用图形 3.可控增益横向PNP管,多集电极结构的应用,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics

12、 Center,34,2.3.3 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,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,35,2.3.3 横向PNP管常用图形 5.大容量横向PNP管,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,36,2.3.4 习题,1.画出横向PNP晶体管的平面图（版图）和剖面图，并说明埋层的作用。 2.横向PNP晶体管在4种可能的偏置情况下，哪一种偏置会使寄生晶体管的影响最大？,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics

13、 Center,37,2-4 衬底PNP管,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,38,思考题,1.衬底PNP管为什么不能加n+埋层？ 2.衬底PNP管的应用有什么局限性？ 3.为什么衬底PNP管的基区表面要覆盖大面积的n+扩散？,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,39,2.4.1 衬底PNP管的结构和特性,1. 纵向结构 2.衬底(集电极)电位固定 (最低电位) 3.不能加n+ 埋层 最好增加p+埋层 4.无有源寄生 5.基区(外延层)上最好覆 盖n+扩散层,2005年7月 来逢昌,HIT Micro

14、-Electronics Center,40,2.4.2 衬底PNP管的常用图形,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,41,2-5 集成二极管,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,42,思考题,1.集成电路中的一般二极管构成方式有哪些？各自有什么特点？ 2.隐埋齐纳二极管的优点是什么？,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,43,2.5.1一般集成二极管 1. B-C短接,VF=VBEF BV=BVBE Cj = Ce Cp= Cs 无寄生PNP管效应,200

15、5年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,44,2.5.1一般集成二极管 2. B-E短接,VF=VBCF BV=BVBC Cj = Cc Cp= Cs 有寄生PNP管效应,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,45,2.5.1一般集成二极管 3. C-E短接,VF=VBCF BV=BVBE Cj = Cc+ Ce Cp= Cs 有寄生PNP管效应,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,46,2.5.1一般集成二极管 4. C开路,VF=VBEF BV=BVBE Cj =

16、Ce Cp= Cc*Cs /(Cc+ Cs） 有寄生PNP管,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,47,2.5.1一般集成二极管 5. E开路,VF=VBCF BV=BVBC Cj = Cc Cp= Cs 有寄生PNP管,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,48,2.5.1一般集成二极管 6. 单独BC结,VF=VBCF BV=BVBC Cj = Cc Cp= Cs 有寄生PNP管,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,49,2.5.1一般集成二极管 7.单独

17、SC结,VF=VSCF BV=BVSC Cj = Cs Cp= 0 无寄生PNP管,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,50,2.5.2隐埋齐纳二极管 1.齐纳二极管的特性要求,动态电阻小 击穿电压稳定 噪声小,一般齐纳二极管用BE结制作,缺点：在表面处两侧浓度都最高，且易受表面影响,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,51,2.5.2隐埋齐纳二极管 2.两种隐埋齐纳二极管,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,52,2.5.3 习题,1.一般集成二极管中，哪

18、种速度最快？哪种耐压最高？ 2.隐埋齐纳二极管的特点是什么？为什么？,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,53,2-6肖特基二极管及肖特基晶体管,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,54,思考题,1.肖特基二极管的特点是什么？ 2.肖特基晶体管的结构和工作原理是什么？ 3.设计肖特基二极管和肖特基晶体管时应注意什么？,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,55,2.6.1 肖特基二极管（SDB）,特点： 1.正向压降低 应减小串联电阻 2.开关时间短 多子器件

19、 3.反向击穿电压高 应减小边缘电场 （ P型环、覆盖电极）,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,56,2.6.2 肖特基晶体管抗饱和原理,1. npn管正向有源或截止时，SBD截止,2. npn管反向有源或饱和时，SBD导通，对IB分流，VBC被箝位,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,57,2.6.3 肖特基晶体管常用图形示意,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,58,2-7 MOS晶体管及其寄生效应,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Elec

20、tronics Center,59,思考题,MOS晶体管沟道长度和宽度是如何定义的? 2. 寄生MOS晶体管如何形成的？它的危害是什么？如何消除？ 3. 闩锁效应是如何产生的？有何危害？如何避免发生？,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,60,2.7.1 MOS晶体管常用图形,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,61,2.7.2 场区寄生MOS管（场开启MOS管）,1.加厚场氧化层厚度 （采用等平面工艺，减小表面台阶） 2.采用场区注入，提高衬底表面浓度 3.控制有源区间距,2005年7月 来逢昌,HI

21、T Micro-Electronics Center,62,2.7.3 寄生双极晶体管,消除寄生双极晶体管影响的措施： P衬底接最低电位 N衬底接最高电位 使MOS管源漏区与衬底形成的二极管不处于正偏状态,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,63,2.7.4 寄生可控硅闩锁效应1. 寄生可控硅结构,必要条件： 1.两个发射结均正偏 2.npn*pnp 1 3.IPowerIH,寄生可控硅一旦被触发，电流巨增，将烧毁芯片。,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,64,2.7.4 寄生可控硅闩锁效应2. 消除

22、闩锁效应措施版图设计,（1）减小RS和RW ：均匀且充分设计阱和衬底的电源和地的欧姆接触，并用金属线连接，必要时采用环结构。,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,65,2.7.4 寄生可控硅闩锁效应2. 消除闩锁效应措施版图设计,（2）减小npn和pnp ：加大MOS管源漏区距阱边界的距离，必要时采用伪收集极结构。,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,66,2.7.4 寄生可控硅闩锁效应2. 消除闩锁效应措施工艺、测试、应用,（1）增加阱的结深 （2）采用外延衬底 （3）采用外延衬底时，同时可采用埋层方

23、法，增加阱的结深，型层减速场。,（4）电源退耦，稳定电源 （5）输入信号不能过高 （6）负载电容不易过大 （7）电源限流,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,67,2.7.5 习题,1.说明CMOS集成电路中的闩锁效应和抗闩锁措施。 2.说明消除寄生MOS管影响的措施。,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,68,2-8 电容器,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,69,思考题,1.形成电容的方式有哪些？各自的特点是什么？ 2.各种结构电容的电容值如何计算？

24、3.设计电容时应该考虑哪些因素？,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,70,2.8.1 PN结电容,应考虑： 1.单位面积电容容量 2.电极的串联电阻 3.工作电压及电压极性,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,71,2.8.2 MOS电容,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,72,2-9 电阻器,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,73,思考题,1.形成电阻的方式有哪些？各自的特点是什么？ 2.各种结构电阻的电

25、阻值如何计算？ 3.设计电阻时应该考虑哪些因素？,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,74,2.9.1 基区硼扩散电阻,Weff = W +2mXj,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,75,2.9.2基区沟道电阻,阻值大 面积小 精度低,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,76,2.9.3 外延层电阻,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,77,2.9.4 离子注入电阻,一般用来制作精度高的大阻值电阻,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,78,2.9.5 发射区磷扩散电阻,一般用来制作磷桥或小电阻,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,79,2.9.6 薄膜电阻,一般用来制作精确电阻（激光调阻）,2005年7月 来逢昌,HIT Micro-Electronics Center,80,2.9.7 MOS电路中常用的其它电阻,常规多晶电阻，高阻多晶电阻， N+ （或P+ ）有源区电阻，N阱（或P阱）电阻， 导通MOS管电阻,栅极应接相应电位， 使MOS管导通,