集成电路中的晶体管及其寄生效应09.pptx

1 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，并由一个半导体薄区串联而成的。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双极型晶体管示意图第1页/共137页2 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。第2页/共137页3集成NPNNPN晶体管的结构E(N+)B(P)C(N)NPNS(P)PNP平面图P-SubN-epiP+P+PN+N+CEB剖面图EBCSN+PNP等效结构图等效电路图第3页/共137页4Ebers 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：NPN晶体管的共基极连接，晶体管表示黑匣子式中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。第4页/共137页5 加上Kirchoff定律规定的二个方程：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。第5页/共137页6 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四个参数中只有三个是独立变量第6页/共137页72、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效应第7页/共137页8第8页/共137页9第9页/共137页102.2 集成双极晶体管的有源寄生效应 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。第10页/共137页11分离双极型NPN晶体管（BJT）的结构低阻衬底N+外延层(集电区)EBBC基区发射区CPn+Nepi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。第11页/共137页12 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12页/共137页13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。第13页/共137页14 图2.1 NPN晶体管的结构示意图IEIBICI1I2I3IS第14页/共137页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。第15页/共137页16 集成NPN管的寄生效应Ccsrcs寄生PNP管BC结rcsCcs寄生PNP管EB结第16页/共137页17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（EmitterBase）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=13）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。第17页/共137页18第18页/共137页19NPN管工作于截止区VBE(npn)0VBC(npn)0 VEB(pnp)0 VBC(pnp)0寄生PNP 管截止NPN管工作于放大区VBE(npn)0VBC(npn)0 VEB(pnp)0 VBC(pnp)0寄生PNP管截止第19页/共137页20NPN管工作于饱和区VBE(npn)0VBC(npn)0 VEB(pnp)0VCS(npn)0 VBC(pnp)0寄生PNP管处于 放大区NPN管工作于反向工作区VBE(npn)0 VEB(pnp)0VCS(npn)0 VBC(pnp)0寄生PNP管处于放大区第20页/共137页21基本概念 1 埋层的上反扩散-在工艺制造过程中的各高温条件下，在浓度梯度的作用下，高浓度的n型埋层向低浓度的n型外延层的扩散。2 埋层的下反扩散-在工艺制造过程中的各高温条件下，在浓度梯度的作用下，高浓度的n型埋层向低浓度的p型衬底的扩散。3 典型集成电阻的三层二结结构-指p型扩散电阻区-n型外延层-p型衬底三层，以及三层之间的两个pn结这样的工艺结构。4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-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。5 有源寄生-存在寄生晶体管的现象，可为寄生pnp管（衬底参与构成的pnp管），也可为寄生npn管（多发射极输入晶体管各发射区与基区构成的npn管）。6无源寄生-存在寄生元件的现象，可为寄生电容，也可为寄生电阻。第21页/共137页22寄生PNP工作状态与NPN工作状态的关系第22页/共137页23 抑制有源寄生效应的措施：（1）在NPN集电区下加设n+埋层，埋层的作用有两个，其一，埋层的下反扩散导致增加寄生PNP管的基区宽度，使非平衡少数载流子在基区的复合电流增加，降低基区电流放大系数pnp；其二，埋层的n+上反扩散导致寄生 PNP管基区掺杂浓度增大，基区方块电阻减小，由晶体管原理可知，这将导致发射效率下降从而使寄生 PNP管电流放大系数降低，还可降低rcs。综上所述，各作用的结果使寄生PNP管的电流放大系数降至0.01以下，则有源寄生转变为无源寄生，仅体现为势垒电容的性质。第23页/共137页24（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。第24页/共137页25第25页/共137页26由图2-3可归纳出集成NPN管的无源寄生效应包括寄生电阻 res（13），rcs（加埋层，磷穿透工艺），rb和寄生电容：CD 扩散电容，CJ 势垒电容（CBE，CBC，CCS），Cpad 焊盘电容 2.3 集成双极晶体管的无源寄生效应CCS2CCS22-3第26页/共137页27集成双极晶体管的无源寄生效应电荷存储效应无源寄生效应 欧姆体电阻CjcCjc电荷存储效应第27页/共137页28集成NPN晶体管中的寄生电阻1发射极串联电阻rES发射极串联电阻由发射极金属和硅的接触电阻rE,c与发射区的体电阻rE,b两部分组成：rES rE,c rE,b rE,c=SE为发射极接触孔的面积；RC为硅与发射极金属的欧姆接触系数。第28页/共137页292集电极串联电阻rcs 因为集成晶体管的集电极是从表面引出的，所以集成晶体管的集电极串联电阻rcs大于分立晶体管的集电极串联电阻。由图2.3可见，如果忽略引出端N接触区的接触电阻和体电阻，则 rcs rc1 rc2 rc3 第29页/共137页30第30页/共137页31rC2的计算：rC3的计算：第31页/共137页32集成NPNNPN晶体管的无源寄生效应 集电极寄生电阻增加n+埋层、穿透磷扩散、薄外延等措施可有效地减小集电极串联电阻 R1=epi*hclc*wc R5=epi*hble*we R2=wclc*RBL*13 R4=wele*RBL*13 R3=RBL*dce(lc+le)/2第32页/共137页33 附：拐角薄层电阻的计算公式推导 dV(X)=I(X)*R*dxWWLII(X)X0ILx I(X)=IL*XReff=R*13LW P=I(X)*dV(X)0L=R*()2*X2*0LILdxW =R*I213LW=Reff*I2第33页/共137页34减小rcs的方法在工艺设计上，采用加埋层的方法以减小rcs，在满足工作电压的要求情况下减小外延层电阻率和厚度，采用深N+集电扩散。在版图设计上，电极顺序采用BEC排列来减小LE-C，以减小rc2，采用双集电极或马蹄形集电极减小rc2，但芯片面积及寄生电容增大了。采用磷穿透工艺可进一步降低 rcs第34页/共137页35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N-epiP+PN+N+CEBP-SubP+BN+N+C第35页/共137页36马蹄形电流容量大集电极串联电阻小基极串联电阻小面积大寄生电容大第36页/共137页37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；寄生电容的分类：与PN结有关的耗尽层势垒电容Cj；与可动载流子在中性区的存储电荷有关的扩散电容CD；电极引线的延伸电极电容Cpad。集成NPN晶体管中的寄生电容第37页/共137页38pn结电容的大小的影响因素：与pn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；与pn结面是侧面还是底面有关；在计算pn结的面积时，注意其侧面积为四分之一圆柱面积，由于扩散形成电性区时存在横向扩散所致；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。第38页/共137页39 杂质横向扩散示意图柱面平面球面xJxJScSc横向扩展宽度=0.8xj立体图剖面图势垒第39页/共137页40集成NPNNPN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P-SubN-epiP+P+PN+N+CEB第40页/共137页41集成NPNNPN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N-epiP+PN+N+CEBP-SubP+BN+第41页/共137页42集成NPNNPN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N-epiP+PN+N+CEBP-SubP+BN+N+C第42页/共137页43集成NPNNPN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N-epiP+PN+N+CP-SubP+N+N+CBN+EE第43页/共137页44集成NPNNPN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面积大寄生电容大第44页/共137页45集成NPNNPN晶体管常用图形及特点（6）梳状第45页/共137页462.4 集成电路中的PNP管横向PNP管、纵向PNP管的结构与特点横向PNP管多集电极横向PNP管衬底PNP管第46页/共137页47一、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。1、结构：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。2、特点：制作可与普通的 NPN管同时进行，不需附加工序；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。第47页/共137页48图A 集成电路中的PNP型晶体管第48页/共137页49二、横向PNP管 Lateral PNP transistor小 BVEBO高频率响应差临界电流小第49页/共137页5074第50页/共137页51+-第51页/共137页52第52页/共137页53横向PNP晶体管的主要特点：BVEBO高，主要是由于xjc深，epi高之故。电流放大系数小，主要原因：由于工艺限制，基区宽度不可能太小；纵向寄生PNP管将分掉部分的发射区注入电流，只有侧壁注入的载流子才对横向PNP管的 有贡献；基区均匀掺杂，无内建加速电场，主要是扩散运动；基区的表面复合作用。第53页/共137页54 频率响应差 平均有效基区宽度大，基区渡越时间长；空穴的扩散系数仅为电子的1/3；发生大注入时的临界电流小 横向PNP的基区宽度大，外延层Nepi低，空穴扩散系数低。第54页/共137页55三、多集电极横向PNP管第55页/共137页56公共的基极BC第56页/共137页57 四、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。第57页/共137页58图2.18 纵向PNP管（衬底PNP晶体管）第58页/共137页59衬底 PNP此图有误，不应有埋层第59页/共137页60 纵向PNP管主要特点：纵向PNP管的C区为整个电路的公共衬底，直接最负电位，交流接地。使用范围有限，只能用作集电极接最负电位的射极跟随器；晶体管作用发生在纵向，各结面较平坦，发射区面积可以做得较大，工作电流比横向PNP大；因为衬底作集电区，所以不存在有源寄生效应，故可以不用埋层。第60页/共137页61外延层作基区，基区宽度较大，且硼扩散p型发射区的方块电阻较大，因此基区输运系数和发射效率较低，电流增益较低。由于一般外延层电阻率epi较大，使基区串联电阻较大。可采取E、B短接的方式，使外基区电阻=0，同时减小了自偏置效应，抑制趋边效应，改善电流特性；E、B短接还有助于减少表面复合的影响，提高电流增益。第61页/共137页62 提高衬底PNP管电流增益的措施 降低基区材料的缺陷，减少复合中心数目，提高基区少子 寿命；适当减薄基区宽度，采用薄外延材料。但同时应注意注意，一 般衬底PNP管与普通的NPN管做在同一芯片上，PNP基区对应NPN管的集电区，外延过薄，将导致NPN管集电区在较低反向集电结偏压下完全耗尽而穿通；适当提高外延层电阻率，降低发射区硼扩散薄层电阻，以 提高发射结注入效率；在衬底和外延层之间加p+埋层，形成少子加速场，增加 值。注意在纵向PNP管中不能加n+埋层，这样将形成少子 减速场，降低值；第62页/共137页63衬底 PNP埋层外延P型基区第63页/共137页64 2.5 集成二极管 在IC中，集成二极管的结构除单独的BC结外，通常由晶体管的不同连接方式而构成多种形式，并不增加IC工序，而且可以使二极管的特性多样化，以满足不同电路的需要。集成二极管可采用的几种常见版图结构，即基极集电极短路二极管结构、集电极发射极短路二极管结构、基极发射极短路二极管结构、集电极悬空二极管结构、发射极悬空二极管结构和单独二极管结构 第64页/共137页65一般集成二极管 1.B-C短接VF=VBEFBV=BVBECj=Ce Cp=Cc无寄生PNP管效应P-SubN-epiP+P+PN+N+EBC第65页/共137页66一般集成二极管 2.B-E短接VF=VBCFBV=BVBCCj=Cc Cp=Cs有寄生PNP管效应P-SubN-epiP+P+PN+N+EBC第66页/共137页67一般集成二极管 3.C-E短接VF=VBCFBV=BVBECj=Cc+Ce Cp=Cs有寄生PNP管效应P-SubN-epiP+P+PN+N+EBC第67页/共137页68一般集成二极管 4.C开路VF=VBEFBV=BVBECj=Ce Cp=Cc*Cs/(Cc+Cs）有寄生PNP管P-SubN-epiP+P+PN+N+EBC第68页/共137页69一般集成二极管 5.E开路VF=VBCFBV=BVBCCj=Cc Cp=Cs有寄生PNP管P-SubN-epiP+P+PN+N+EBC第69页/共137页70一般集成二极管 6.单独BC结VF=VBCFBV=BVBCCj=Cc Cp=Cs有寄生PNP管P-SubN-epiP+P+PN+BC第70页/共137页71一般集成二极管 7.单独SC结VF=VSCFBV=BVSCCj=Cs Cp=0无寄生PNP管N-epiP+P+N+CP-Sub第71页/共137页72 表2.2 六种集成二极管的特性比较第72页/共137页73最重要的两类集成二极管BC短接二极管，因为没有寄生PNP效应，且存储时间最短，正向压降低，常用于DTL电路的输入端门二极管，还用于输入端的保护二极管；单独BC结二极管，因为不需要发射结，所以面积可以做得很小，结电容小，开关时间短，正向压降也低，且击穿电压高。第73页/共137页74B-C短接VF=VBEFBV=BVBECj=Ce Cp=Cc无寄生PNP管效应P-SubN-epiP+P+PN+N+EBC第74页/共137页75单独BC结VF=VBCFBV=BVBCCj=Cc Cp=Cs有寄生PNP管P-SubN-epiP+P+PN+BC第75页/共137页76集成齐纳二极管1.集成齐纳二极管 集成电路巾的齐纳二极管一般是反向工作的BC短接二极管，因此与制作一般NPN管的工艺兼容。利用一般工艺可获得的VzBVEBO约为69V。这种结构的齐纳二极管有以下一些缺点：具有较大的正温度系数，热稳定性差；内阻较大，因而其两端的电压Vz 随电源电压和负载电流的变化也大；Vz 的离散性大，由于Vz 由多次扩散决定，所以Vz的精确控制较困难，一般NPN管的BVEBO 的容差在土200mV；输出噪声电压较大。因为击穿主要发生在Si表面，所以受表面的影响大。第76页/共137页77 2.6 肖特基势垒二极管（SBD Schottky-Barrier-Diode)和肖特基箝位晶体管（SCT Schottky clamp transistor）第77页/共137页78 肖特基势垒 Schottkybarrier 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。第78页/共137页79 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。第79页/共137页80 PN结导通时，都是少子注入 积累扩散形成电流，是一种电荷存贮效应，严重影响了PN结的高频特性。而SBD导通时，主要靠半导体多子，是多子器件，高频特性好。对于相同的势垒高度，SBD的JSD（扩散理论饱和电流密度）或JST（热电子发射理论饱和电流密度）要比PN结的反向饱和电流密度JS大得多，即：对于相同的正向电流，SBD的正向导通压降较低，一般Si为0.3V，Ge为 0.2V。SBD与PN结二极管的比较第80页/共137页81根据M-S接触理论，理想情况下 WMWS，金属与n型半导体接触形成阻挡层。WMWS，金属与n型半导体接触形成反阻挡层。WMWS，金属与p型半导体接触形成反阻挡层。M-S整流接触与欧姆接触的区别第81页/共137页82 但实际情况，由于Si，Ge，GaAs等常用半导体材料都有很高的表面态密度，不管n型还是p型都形成阻挡层。所以，实际的欧姆接触是利用隧道效应制成的。对半导体进行重掺杂，势垒宽度很薄，载流子可以通过隧穿效应贯穿势垒形成大的隧道电流，当其超过热电子发射电流成为主导时，接触电阻很小 欧姆接触。第82页/共137页83SBD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。第83页/共137页84一般采用PtSi-Ti/W-Al多层金属薄膜系统。其中：Pt-Si构成SBD Ti/W阻止Al与Si相互扩散 Ti(10%)改善了金属对SiO2的粘附性和抗腐蚀性。SBD的金属化系统第84页/共137页85第85页/共137页86肖特基箝位晶体管 第86页/共137页87PtSi第87页/共137页88第88页/共137页89和SCT的设计 第89页/共137页902.7 MOS集成电路中的有源寄生效应场区寄生MOSFET 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。寄生沟道形成示意图 第90页/共137页91 在硅栅MOS电路中，若多晶硅连线设计不当，或由于光刻对准偏差，使多晶硅跨接两个扩散区，而形成以扩散区为源、漏，以多晶硅为栅的另一种场区寄生MOSFET，如图2.26所示。由于铝线下的场氧化层要比多晶硅下的场氧化层厚(因为在多晶硅光刻后还要生长一层氧化层)，所以以多晶硅为栅的场区寄生MOSFET更不能忽视。图2.26第91页/共137页92 预防措施：（1）增厚场氧厚度tOX，使VTH，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VTH。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。第92页/共137页93寄生双极型晶体管 第93页/共137页94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 RectifierSCR）第94页/共137页95 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 第95页/共137页96 SCR 工作原理 SCR 结构A（阳极）P1P2N1三 个 PN结N2四 层 半 导 体K（阴极）G（控制极/门极）第96页/共137页97符号AKGGKP1P2N1N2APPNNNPAGK工作原理示意图第97页/共137页98APPNNNPGKigigigKAGT1T2等效为由二个三极管组成第98页/共137页991.UAK 0、UGK0时T1导通ig=ib1ic1=ig=ib2ic2 =ib2=ig=ib1T2 导通形成正反馈晶闸管迅速导通T1 进一步导通igigigKAGT1T22.晶闸管导通后，去掉UGK依靠正反馈，晶闸管仍维持导通状态。第99页/共137页100(1)晶闸管开始工作时，UAK加反向电压，或不加触发信号（即UGK=0）。3.晶闸管截止的条件：(2)晶闸管正向导通后，令其截止的方法：igigigKAGT1T2减小UAK，使晶闸管中电流小于某一值IH。加大回路电阻，使晶闸管中电流小于某一值IH时，正反馈效应不能维持。IH：最小维持电流第100页/共137页101（1）晶闸管具有单向导电性。若使其关断，必须降低 UAK 或加大回路电阻，把阳极电流减小到维持电流以下。正向导通条件：A、K间加正向电压，G、K间加触发信号。晶闸管的工作原理小结（2）晶闸管一旦导通，控制极失去作用。第101页/共137页102SCR 特性与参数特性UIURRMIHUDRMIFIG1=0AIG2IG3IG3IG2IG1正向反向U-阳极、阴极间的电压 I-阳极电流URSM反向击穿电压导通后管压降约1V额定正向平均电流维持电流UDSM正向转折电压第102页/共137页103 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。第103页/共137页104CMOS电路中的寄生PNPN效应 第104页/共137页105 闩锁效应为CMOS电路所独有，是由于CMOS结构中存在pnpn四层结构所形成的寄生可控硅造成的。所以nMOS或pMOS电路中不会出现闩锁效应。CMOS电路中寄生可控硅结构的形成 CMOS反相器剖面图和寄生可控硅等效电路(b)(a)第105页/共137页106 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。第106页/共137页107 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。第107页/共137页108 由图2.29可见，由CMOS四层PNPN结构形成了寄生可控硅结构。（1）正常情况下，n-衬底与p-阱之间的pn结反偏，仅有极小的反向漏电流，T1、T2截止。（2）当工作条件发生异常，VDD、VSS之间感生较大的衬底电流，在RS上产生较大压降。当T1管BE结反偏电压达到BE结阈值电压，T1导通，通过RW吸收电流。当RW上压降足够大，T2导通，从而使VDD、VSS之间形成通路，并保持低阻。当npnpnp1，则发生电流放大，T1、T2构成正反馈，形成闩锁，此时，即使外加电压撤除闩锁仍将继续保持，VDD、VSS间电流不断增加，最终导致IC烧毁。第108页/共137页109 （3）诱发寄生可控硅触发的三个因素：T1、T2管的值乘积大于1，即npnpnp1。T1、T2管EB结均为正向偏置。电源提供的电流维持电流IH。（4）诱发闩琐的外界条件：射线瞬间照射，强电场感应，电源电压过冲，跳变电压，环境温度剧变，电源电压突然增大等。第109页/共137页110 2、防止闩琐的措施：A.版图设计和工艺上的防闩锁措施 减少RS、RW使其远小于Ren、Rep。版图中加保护环，伪集电极保护结构，内部区域与外围分割 增多电源、地接触孔的数目，加粗电源线、地线对电源、地接触孔进行合理布局，减小有害的电位梯度。每 5到 10个 晶 体 管 要 有 一 个 衬 底 接 点(substrate contact)。N型器件要靠近Vss，P型器件要靠近VDD。最容易发生Latch-Up的地方是在输入、输出焊接区(I/O Pad)结构中，因为那里会有大量的电流流过。第110页/共137页111 使T1、T2的，npnpnp1，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。第111页/共137页112第112页/共137页113 B.器件外部的保护措施 电源并接稳压管。低频时加限流电阻（使电源电流30mA）尽量减小电路中的电容值。（一般C0.01F）3、注意事项：输入电压不可超过VDDVSS范围。输入信号一定要等VDDVSS电压稳定后才能加入；关机应先关信号源，再关电源。不用的输入端不能悬浮，应按逻辑关系的需要接VDD或VSS 第113页/共137页114第114页/共137页115Latchup ProblemTwo parasitic NPN&PNP transistors form a positive feedback loop,once activated,will causeshort-circuit effect from VDD to GND and leadto self-destruction of the device.Equivalent CircuitSolutions:guard-rings to reduce Rsubstrate and Rwell,increase the space between n-well&NMOS,NPNPNP第115页/共137页1162.8 集成电路中的MOS晶体管模型 第116页/共137页117MOS晶体管第117页/共137页118MOS device第118页/共137页119Operation of MOSFET第119页/共137页120第120页/共137页121第121页/共137页122第122页/共137页123第123页/共137页124第124页/共137页125第125页/共137页126MOS模型 MOS的一级模型是SPICE的MOSFET模型中最简单的一种。该模型适于沟长大于5微米，栅氧化层厚度大于500埃的MOSFET。计算速度快但不精确。第126页/共137页127 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，输出电阻不连续第127页/共137页128 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。第128页/共137页129MOS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。式中的是沟道长度调制因子，表征了沟道长度调制的程度，当不考虑沟道长度调制作用时，=105 m硅栅P阱CMOS工艺沟道长度调制因子的典型值：第129页/共137页130 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。第130页/共137页131 在非饱和区，漏源电流-漏源电压关系是一个抛物线方程，当VDS0时，忽略平方项的影响，漏源电流漏源电压呈线性关系。IDS=kN2(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。第131页/共137页132结束第132页/共137页133 SCR的特点：体积小、重量轻、无噪声、寿命长、容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。应用领域：整流（交流 直流）逆变（直流 交流）变频（交流 交流）斩波（直流 直流）此外还可作无触点开关等。第133页/共137页134晶闸管电压、电流级别额定通态电流（ITAV）通用系列为1、5、10、20、30、50、100、200、300、400500、600、800、1000A 等14种规格。额定电压（UDRM）通用系列为：1000V以下的每100V为一级，1000V到3000V的每2