第二章双极集成电路中的元件形成及寄生效应.ppt

半导体集成电路 夏炜炜扬州大学物理科学与技术学院E mail wwxia 2020 3 22 2 集成电路的基本概念半导体集成电路的分类半导体集成电路的几个重要概念 上节课内容要点 2020 3 22 3 内容概述 双极型集成电路 MOS集成电路 按器件类型分 按集成度分 SSI 100以下个等效门 MSI 103个等效门 LSI 104个等效门 VLSI 104个以上等效门 集成度 工作频率 电源电压 特征尺寸 硅片直径 按信号类型分 模拟集成电路 数字集成电路 BiCMOS集成电路 数模混合集成电路 2020 3 22 4 2020 3 22 5 第2章双极集成电路中的元件形成及其寄生效应 2020 3 22 6 双极集成电路的基本制造工艺双极集成电路中的元件结构双极集成电路的基本工艺理想本征双极晶体管的埃伯斯 莫尔模型双极集成电路中的有源寄生效应 内容提要 2020 3 22 7 本节课内容 双极集成电路的基本工艺 双极集成电路中元件结构 2020 3 22 8 2 1双极晶体管的单管结构及工作原理 双极器件 两种载流子 电子和空穴 同时参与导电 发射区N 集电区N 基区P 发射结 集电结 发射极 集电极 基极 结构特点 1 发射区掺杂浓度最大 基区次之 集电极最小2 基区宽度很窄 2020 3 22 9 正常放大时外加偏置电压的要求 发射区向基区注入载流子 集电结应加反向电压 反向偏置 发射结应加正向电压 正向偏置 集电区从基区接受载流子 放大状态下BJT的工作原理 2020 3 22 10 2 电子在基区中的扩散与复合 IBN 3 集电区收集扩散过来的电子 ICN 另外 基区集电区本身存在的少子 在集电结上存在漂移运动 由此形成电流ICBO 三极管内有两种载流子参与导电 故称此种三极管为双极型三极管 记为BJT BipolarJunctionTransistor 三极管内载流子的传输过程 2020 3 22 11 发射区 发射载流子集电区 收集载流子基区 传送和控制载流子 放大状态下BJT中载流子的传输过程 2020 3 22 12 电流分配关系 根据传输过程可知 IC INC ICBO 通常IC ICBO IE IB IC 放大状态下BJT中载流子的传输过程 所以IC IE ICBO 2020 3 22 13 且令 整理得 2020 3 22 14 正向工作区发射结正偏 发射极发射电子 在基区中扩散前进 大部分被集电极反偏结收集 接近于1 具有电流放大作用 2020 3 22 15 当发射结正偏 VBE 0 集电结也正偏 VBC 0 时 但注意 VCE仍大于0 为饱和工作区 N N P E C B 1 发射结正偏 向基区注入电子 集电结也正偏 也向基区注入电子 远小于发射区注入的电子浓度 基区电荷明显增加 存在少子存储效应 从发射极到集电极仍存在电子扩散电流 但明显下降 2 不再存在象正向工作区一样的电流放大作用 即不再成立 3 对应饱和条件的VCE值 称为饱和电压VCES 其值约为0 3V 深饱和时VCES达0 1 0 2V 2020 3 22 16 当VBC 0 VBE 0时 为反向工作区 工作原理类似于正向工作区 但是由于集电区的掺杂浓度低 因此其发射效率低 很小 约0 02 当发射结反偏 VBE 0 集电结也反偏 VBC 0 时 为截止区 N N P E C B 反向工作区 2020 3 22 17 1 二极管 PN结 正方向 反方向 V I 对于硅二极管 正方向的电位差与流过的电流大小无关 始终保持0 6V 0 7V P Si N Si 2 2双极集成晶体管的结构与制造工艺 2020 3 22 18 二极管 PN结 平面工艺 2020 3 22 19 2 双极型晶体管 n p n B端 E端 C端 2020 3 22 20 2020 3 22 21 3双极集成电路中元件的隔离 B 2020 3 22 22 双极集成电路中元件的隔离 介质隔离 PN结隔离 2020 3 22 23 4双极集成电路元件的形成过程 结构和寄生效应 B E C p n n epi n P Si P P S 四层三结结构的双极晶体管 发射区 N 型 基区 P型 集电区 N型外延层 衬底 P型 双极集成电路元件断面图 n BL 2020 3 22 24 双极集成电路等效电路 C B E p n n epi n n BL P Si P P S 等效电路 隐埋层作用 1 减小寄生pnp管的影响2 减小集电极串联电阻 衬底接最低电位 2020 3 22 25 典型PN结隔离双极集成电路中元件的形成过程 1 衬底选择 确定衬底材料类型 P型硅 p Si 确定衬底材料电阻率 10 cm 确定衬底材料晶向 111 偏离2 50 2020 3 22 26 典型PN结隔离双极集成电路中元件的形成过程 2 第一次光刻 N 隐埋层扩散孔光刻 C B E p n n epi n P Si P P S n BL P Si衬底 N 隐埋层 2020 3 22 27 具体步骤如下 1 生长二氧化硅 湿法氧化 Si 固体 2H2O SiO2 固体 2H2 Si 衬底 SiO 2 2020 3 22 28 2 隐埋层光刻 涂胶 腌膜对准 曝光 光源 显影 2020 3 22 29 As掺杂 离子注入 刻蚀 等离子体刻蚀 去胶 N 去除氧化膜 3 N 掺杂 N 2020 3 22 30 典型PN结隔离双极集成电路中元件的形成过程 3 外延层 外延层的电阻率 外延层的厚度Tepi A A Tepi xjc xmc TBL up tepi ox 后道工序生成氧化层消耗的外延厚度 基区扩散结深 集电结耗尽区宽度 隐埋层上推距离 TTL电路 3 7 m模拟电路 7 17 m 2020 3 22 31 典型PN结隔离双极集成电路中元件的形成过程 4 第二次光刻 P 隔离扩散孔光刻 2020 3 22 32 典型PN结隔离双极集成电路中元件的形成过程 5 第三次光刻 P型基区扩散孔光刻 2020 3 22 33 典型PN结隔离双极集成电路中元件的形成过程 6 第四次光刻 N 发射区扩散孔光刻 2020 3 22 34 典型PN结隔离双极集成电路中元件的形成过程 7 第五次光刻 引线孔光刻 2020 3 22 35 典型PN结隔离双极集成电路中元件的形成过程 8 铝淀积 2020 3 22 36 典型PN结隔离双极集成电路中元件的形成过程 9 第六次光刻 反刻铝 2020 3 22 37 双极集成电路元件断面图 B E C p n n epi n P P S P Si n BL B E C S A A P 隔离扩散 P基区扩散 N 扩散 接触孔 铝线 隐埋层 2020 3 22 38 B E C p n n epi n P P S P Si n BL 为了减小集电极串联电阻 饱和压降小 电阻率应取小 为了减小结电容 击穿电压高 外延层下推小 电阻率应取大 折中 TTL电路 0 2 cm模拟电路 0 5 5 cm 2020 3 22 39 2 3理想本征集成双极晶体管的EM模型 A 结面积 D 扩散系数 L 扩散长度 pn0 np0 平衡少子寿命 热电压 T 300K 约为26mv 一结两层二极管 单结晶体管 2020 3 22 40 正向偏置 二极管的等效电路模型 2020 3 22 41 两结三层三极管 双结晶体管 理想本征集成双极晶体管的EM模型 假设p区很宽 忽略两个PN结的相互作用 则 2020 3 22 42 实际双极晶体管的结构 由两个相距很近的PN结组成 基区宽度远远小于少子扩散长度 相邻PN结之间存在着相互作用 发射区 集电区 基区 发射结 收集结 发射极 集电极 基极 2020 3 22 43 两结三层三极管 双结晶体管 理想本征集成双极晶体管的EM模型 NPN管反向运用时共基极短路电流增益 NPN管正向运用时共基极短路电流增益 2020 3 22 44 BJT的三种组态 2020 3 22 45 三结四层结构 多结晶体管 p p n n IE E B C S IB IC IS I1 I2 I3 V1 V2 V3 理想本征集成双极晶体管的EM模型 2020 3 22 46 三结四层结构 多结晶体管 理想本征集成双极晶体管的EM模型 根据基尔霍夫定律 有 p p n n IE E C S IB IC IS I1 I2 I3 V1 V2 V3 2020 3 22 47 三结四层结构 多结晶体管 理想本征集成双极晶体管的EM模型 理想本征集成双极晶体管的EM模型 2020 3 22 48 2 4集成双极晶体管的有源寄生效应 双极晶体管的四种工作状态 2020 3 22 49 集成双极晶体管的有源寄生效应 NPN管工作于正向工作区和截止区的情况 VEB pnp 0 VS 0 VCB pnp 0 截止 正向工作区和截止区 寄生晶体管的影响可以忽略 pnp管 2020 3 22 50 集成双极晶体管的有源寄生效应 NPN管工作于反向工作区的情况 正向工作区 反向工作区 寄生晶体管对电路产生影响 2020 3 22 51 集成双极晶体管的有源寄生效应 NPN管工作于反向工作区的情况 几个假设 晶体管参数 EM模型简化 2020 3 22 52 集成双极晶体管的有源寄生效应 NPN管工作于反向工作区的EM方程 VBE V1 0 2020 3 22 53 集成双极晶体管的有源寄生效应 NPN管工作于反向工作区的EM方程 减小了集电极电流 作为无用电流流入衬底 采用埋层和掺金工艺 2020 3 22 54 集成双极晶体管的有源寄生效应 NPN管工作于饱和工作区的情况 正向工作区 寄生晶体管对电路产生影响 2020 3 22 55 集成双极晶体管的有源寄生效应 NPN管工作于饱和工作区的EM方程 2020 3 22 56 2 4集成双极晶体管的无源寄生效应 P P N P N BL N epi C B E N 2020 3 22 57 集成双极晶体管的无源寄生效应 rES rE c rE b 发射极串联电阻rES 发射区为N 扩散 杂质浓度在1020cm 3以上 所以发射区的体电阻很小 串联电阻主要由金属与硅的接触电阻决定 SE 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 E 接触电阻 体电阻 2020 3 22 58 rCS rC1 rC2 rC3 集电极串联电阻rCS 集成双极晶体管的无源寄生效应 rC1 上底为有效集电结面积SC eff SE并作以下近似 1 上底 下底各为等位面 2 锥体内的电流只在垂直方向流动 3 在上下面的电流是均匀的 E C 2020 3 22 59 rCS rC1 rC2 rC3 集电极串联电阻rCS 集成双极晶体管的无源寄生效应 LE C E C 2020 3 22 60 rCS rC1 rC2 rC3 集电极串联电阻rCS 集成双极晶体管的无源寄生效应 rC3 E C 2020 3 22 61 rCS rC1 rC2 rC3 集电极串联电阻rCS 集成双极晶体管的无源寄生效应 rC3 rC1 E C 2020 3 22 62 r