电子信息:《半导体集成电路》课件--第2章集成电路中的晶体管及其寄生效应

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

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。

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。
Ebers and Moll 晶体管方程
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和电压VBE，以及输出电流IC和电压VBC。BJT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：

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。

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。

        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）。
集成NPN管的有源寄生效应
          四层三结结构：典型集成晶体管的四层三结结构--指NPN管的高浓度n型扩散发射区N+-NPN管的p型扩散基区-n型外延层（NPN管的集电区）nepi （ epitaxial 外延的）-p型衬底四层p-Si ，以及四层之间的三个pn结这样的工艺结构EB（ Emitter—Base ）结、BC（ Base-Collector ）结、 CS结（ Collector-Substrate ）。
          寄生PNP管处于放大区的三个条件：
   (1) EB结正偏（即NPN管的BC 结正偏）
   (2) BC结反偏（即NPN管的CS 结反偏）
   (3) 具有一定的电流放大能力（一般 pnp=1~3）
   其中，条件(2)永远成立，因为pn结隔离就是要求衬底P+隔离环接到最低电位。条件(3)一般也很容易达到。条件(1)能否满足则取决于NPN管的工作状态。

（2）可采用外延层掺金工艺，引入深能级杂质，降低少子寿命，从而降低 。掺金工艺是在NPN管集电区掺金（相当于在PNP管基区掺金）。掺金的作用，使PNP管基区中高复合中心数增加，少数载流子在基区复合加剧，由于非平衡少数载流子不可能到达集电区从而使寄生PNP管电流放大系数大大降低。
（3）还应注意，NPN管基区侧壁到P+隔离环之间也会形成横向PNP管，必须使NPN管基区外侧和隔离框保持足够距离。

集成电路中的无源寄生将影响集成电路的瞬态特性，而无源寄生元件主要是寄生结电容。pn结电容的大小与结的结构和所处的状态有关，即与pn结上所加的偏压有关；与pn结的面积有关，在pn结的面积计算时，注意其侧面积为四分之一圆柱面积，这是由于扩散形成电性区时存在横向扩散所致；且与pn结面是侧面还是底面有关。因此，在考虑计算寄生结电容时，必须和pn 结的实际结构结合起来，还必须和pn 结在某个瞬态过程中实际电性状态变化结合起来。

介质隔离-使用绝缘介质取代反向pn结，实现集成电路中各元器件间电性隔离方法。
等平面隔离工艺是一种混合隔离工艺，在实现集成电路中各元器件间电性隔离时，既使用了反向pn结的大电阻特性，又使用了绝缘介质电性绝缘性质的方法。

2.4 集成电路中的PNP管
横向PNP管、纵向PNP管的结构与特点由于模拟集成电路中要应用NPN-PNP互补设计以及某些偏置电路极性的要求，需要引入PNP结构的晶体管。图A 示出集成电路中的两种PNP型管。其中，横向PNP管广泛应用于有源负载、电平位移等电路中。它的制作可与普通的 NPN管同时进行，不需附加工序。采用等平面隔离工艺的横向 PNP管的基本图形和结构如图6-1所示，其中心 p型发射区和外围 p型区是与普通NPN管基区淡硼扩散同时完成的，而基区即为外延层。在横向PNP管中，发射区注入的少子（空穴）在基区中流动的方向与衬底平行，故称为横向 PNP管。
图A 集成电路中的PNP型晶体管

        衬底PNP管Substrate PNP transistor
          (纵向PNP管)
          纵向PNP管其结构如图2.18所示。它以P型衬底作集电区，集电极从浓硼隔离槽引出。N型外延层作基区，用硼扩散作发射区。由于其集电极与衬底相通，在电路中总是接在最低电位处，这使它的使用场合受到了限制，在运放中通常只能作为输出级或输出缓冲级使用。

       肖特基势垒 Schottky—barrier
            金属和半导体接触，也和PN结一样在接触处的半导体表面层内，自然地形成了由半导体中的杂质离子组成的空间电荷层或耗尽层。其中存在的电子或空穴的势垒，叫做肖特基势垒。
             以金属与N型硅接触为例。N型硅的功函数一般比金属的功函数小。金属与N型硅接触时，电子由硅流入金属，在硅表面层内出现由带正电的杂质离子组成的空间电荷层。其中存在由硅指向金属的电场及电子势垒。在平衡时，势垒高度大到足以阻止电子进一步流向金属，也就是说，越过势垒流入金属的电子流与由金属流入半导体的电子流相等。这个势垒就是肖特基势垒。

            肖特基势垒和PN结势垒—样，也具有随外加电压改变的势垒电容及整流作用。加上正向电压(金属接正)时，耗尽层中电场减小，势垒降低，结果出现了由硅流向金属的净电子流。外加电压反向时，耗尽层中的电场及势垒高度和宽度增加，结果出现了由金属流向硅的很小的电子流。所以，肖特基势垒具有整流作用。
            若硅掺杂很重，则势垒很薄，通过接触的电流主要是隧道电流。这时接触没有整流作用。通过接触的电流基本上是多数载流子电流。但是，如果势垒很高，则势垒层中可能有较大的空穴密度。在正向时，可能有空穴由势垒层扩散注入内部中性N区，成为储存电荷。
             适当增大半导体的掺杂浓度，选用势垒高度小的金属—半导体接触，可减小少数载流子注入现象。

SBD在TTL中起到的嵌位作用
肖特基势垒二极管（SBD）具有可用于改善集成电路三个特点，即正向压降低、开关时间短和反向击穿电压高。
由于TTL集成电路在提高电路速度时存在矛盾，即要想减少电路导通延迟时间，可以通过加大输出管的基极驱动电流来实现，这势必使输出管在电路导通态的饱和深度增加，输出管的基区和集电区的超量存储电荷增加，在电路截止是加大了截止延迟时间；肖特基势垒二极管与可能饱和的晶体管集电结正向并接，由于SBD正向压降低的特点，是晶体管的饱和深度不能太深，从而有效的提高了电路速度。

由图可见，当互连铝线跨过场氧区B、C两个扩散区时，如果互连铝线电位足够高，可能使场区表面反型，形成寄生沟道，使本不应连通的有源区导通，造成工作电流泄漏，使器件电路性能变差，乃至失效。

    预防措施：
（1）增厚场氧厚度t’OX，使VTF，但需要增长场氧时间，对前部工序有影响，并将造成台阶陡峭，不利于布线。采用等平面工艺可以改善这些影响。   （2）对场区进行同型注入，提高衬底浓度，使V’TF。但注意注入剂量不宜过高，以防止某些寄生电容增大，和击穿电压的下降。
2.7.2 寄生双极型晶体管
2.7.3 寄生PNPN效应闩锁（Latch-up）效应
            寄生PNPN效应又称闩锁（Latch-up）效应或寄生可控硅（SCR）效应。

补充：什么是晶闸管［晶体闸流管］（Thyristor），别名：可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier—SCR）

1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管
1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品
1958年商业化
开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代，它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。
20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代
能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位
晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件

晶闸管的外形结构
外形有螺栓型和平板型两种封装
引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端
对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便
平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间

Latch-Up(锁定)是CMOS存在一种寄生电路的效应，它会导致VDD和VSS短路，使得晶片损毁，或者至少系统因电源关闭而停摆。这种效应是早期CMOS技术不能被接受的重要原因之一。在制造更新和充分了解电路设计技巧之后，这种效应已经可以被控制了。 CMOS电路之所以会产生Latch-Up效应，我们可以用图2.29来表示。在图中我们以剖面图来看一个CMOS反相器如何发生此效应，而且它是用P型阱制造生产。在这个图中，我们同时也描绘了寄生电路，它包含了两个BJT(一个纵向npn和一个横向pnp)和两个电阻(RS是因N型衬底产生，Rw是因P阱产生)。BJT的特性和MOS是完全两样的。
CMOS电路中的寄生PNPN效应

BJT有三个端点，分别为：集电极(C)、基极(B)、发射极(E)。在一个npn晶体管中，电流会从集极流至射极，如果集极-射极偏压(VCE)大于等于某一个正电压(例如，0.2V的饱和电压)，且基极-射极偏压(VBE)大于0.6V或更多一些。在PNP晶体管中，电流电压极性刚好与NPN相反。图（a）中的T1是一个PNP晶体管，T2则是一个NPN晶体管。如果RS与Rw愈大，那么Latch-Up便愈可能发生，其等效电路图如图 (b)中所示。如果有足够的电流流入N型衬底而从P型阱中流出，在RS两端的电压将可能有足够大的偏压使得T1和T2两个晶体管进入线性区而如同一小电阻。因此从电源会流出多少电流就由RS的值来决定，这个电流可能足够大而使得电路故障。

为了缓和这种效应，我们可以降低BJT的增益值并且减少Rs与Rw的电阻值。我们可以加上衬底接点(Substrate Contact)，它可以有效减少Rs、Rw电阻值。在现在大部分的制造中设计者并不需要太担心Latch-Up的问题，只要设计时使用充分的衬底接点。事实上，现在要分析出加多少的衬底接点就可以避免Latch-Up这个问题是很难的。

 使T1、T2的，npnpnp«1，工艺上采取背面掺金，中子辐射电子辐照等降低少子寿命
 输入输出保护
 采用重掺杂衬底上的外延层，阱下加p+埋层。
 制备“逆向阱”结构。
 采用深槽隔离技术。

MOSFET的二级模型是基于几何图形的分析模型。在MOSFET的二级模型中，考虑了小尺寸器件的一些二级效应的影响。该模型适于沟长大于2微米,沟道宽度在6微米左右，栅氧化层厚度大于250埃的MOSFET。考虑的主要的二级效应包括：
（1）短沟和窄沟效应对阈值电压的影响。
（2）表面电场对载流子迁移率的影响。
（3）载流子的漂移度饱和。
（4）亚阈值电流（弱反型电流）。
计算速度慢，精度仍不够，输出电阻不连续

MOSFET的三级模型是一个包括短沟和窄沟等二级效应的半经验模型。与MOSFET的二级模型相比，计算效率较高，但它的经验模型参数与器件尺寸有关。该模型适于沟长大于1微米,栅氧化层大于200埃的MOSFET。其中主要考虑的二级效应有：
（1）漏压感应的表面势垒降低（DIBL）对阈值电压的影响。
（2）短沟和窄沟效应对阈值电压的影响。
（3）表面电场对载流子迁移率的影响。
（4）载流子的漂移速度饱和。
三级模型中的亚阈值区电流与二级模型相同。
计算速度快，但输出电阻不连续。
MOS晶体管的电流-电压方程
对于MOS晶体管的电流-电压特性的经典描述是萨氏方程。

          其中，                        为NMOS的导电因子，

                            为NMOS的本征导电因子，

       ，为电子迁移率，介电常数                  ，其中        为真空电容率，等于                    ；
         为二氧化硅相对介电常数，约等于3.9；
       为栅氧化层的厚度；W为沟道宽度；L为沟道长度；(W/L)称为器件的宽长比，是器件设计的重要参数。

在非饱和区，漏源电流-漏源电压关系是一个
抛物线方程，当VDS→0时，忽略平方项的影响，
漏源电流—漏源电压呈线性关系。
IDS=kN{2(VGS-VTN)VDS}
对应每一个VGS，抛物线方程的最大值发生在
临界饱和点VDS=VGS-VTN之处，当漏源电压继续
增加，则器件进入饱和区，这时的漏源电流与漏
源电压关系由沟道长度调制效应决定。萨氏方程是MOS晶体管设计的最重要、也是最常用的方程。


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