第5章双极型器件设计与性能

1、半导体器件原理南京大学Chapter 5 双极型器件的设计与性能参数一、双极型器件的设计一般设计：减少内在电阻与电容特殊设计：满足特殊电路要求1。 发射区的设计 发射区参数影响基区电流，而对集电极电流无影响。但一般而言，并不采用该方法来改变基区电流。 在数字电路中，只要电流增益不太低或基区电流不特别高，器件参数并不明显依赖于基区电流。 对逻辑电路而言，只要电流增益足够大，基区电流的重复性要较其大小更重要。半导体器件原理南京大学JqD nWD pLeJqD nWeqD pLeJJJEnbpbbpenepeqVKTCnbpbbqVKTpcncpcqV KTBECEEc()()()()/000011

2、1半导体器件原理南京大学 调节基区电流而改变发射结的工艺过程均会影响其它器件参数。 一般固定发射结工艺，通过独立改变基区和集电区的设计来改进器件和电路参数，不影响基区电流。 发射结的设计目标：获得一低而稳定的基区电流的同时，尽可能的减小发射结的电阻。（1）扩散或离子注入加扩散的发射区 预掺杂加热扩散，一般采用As（N）以获得陡峭的掺杂、浅发射结以获得薄的本征基区。jEjBBxxW半导体器件原理南京大学 采用金属硅化物做欧姆接触，将有助于减小发射结宽度，而当发射结宽度小于少子扩散长度时，基区电流随1/WE而增大，导致基区电流和电流增益随发射结的接触工艺而变化。 扩散的发射结不适合于基区宽度小于1

3、00 nm的器件工艺（将导致非可控和重复的基区电流特性）。（2）多晶硅发射结 小于100 nm基区的器件一般采用多晶硅栅。 25 nm的发射结深度，可以获得50 nm左右的基区宽度（发射结电容小于扩散结的1/3）半导体器件原理南京大学 发射结的工艺设计：减小发射结串联电阻和足够大的发射结反向击穿电压，以及理想的基区特性。半导体器件原理南京大学JqD nWD pLeJqD nWeqD pLeJJJEnbpbbpenepeqVKTCnbpbbqVKTpcncpcqV KTBECEEc()()()()/0000111半导体器件原理南京大学2。 基区的设计 发射区参数决定基区电流，基区参数决定集电极电

4、流。 双极电路的性能主要由集电流决定，而不是基区电流。 只要电流增益足够大，对多晶硅发射结而言，器件的设计与优化重点在本征基区或本征基区与集电区。（1）集电极电流密度与基区薄层电阻率的关系SbiieBpnBCWppWppSbiWBieBnBWpieBnBWieBnBpcoRnDqJdxxpqdxxxpqRdxxNnDqdxxpnDqdxxnxDxpqJBBBBB2201010020202)()()()()()()()(半导体器件原理南京大学（2）本征基区的掺杂分布3)2exp()(22maxBBBWxNxN半导体器件原理南京大学（3）准中性基区的电场dxEdqdxdppqkTdxdnndxdp

5、pqkTbasepEdxdnqDdxdnndxdppnqDJkTEnnnpndxdpnqDJgBppieBieBpppnBieBieBpppnBcgBiieBieBpppieBnBc11)11()()11()/exp()(22222222半导体器件原理南京大学 小电流下准中性基区的电场: 重掺杂效应导致电场倾向于补偿由于掺杂分布引起的电场。 漂移晶体管原理在现代薄基区双极型晶体管的设计中的作 用较在宽基区晶体管设计中减小很多。)1()()(2dxEdqxqkTbaseGaussianEgB半导体器件原理南京大学（4）基区渡越时间（另一种解释）nBBBWxnBBWBBWxieBnBBWpieBB

6、WxieBnBpWpieBBWxieBnBppieBCpxxieBppWxieBppWxieBnBpCWpBCBBDWtdxdxxDxNxNtdxdxxnxDxNxpntdxdxxnxDxpxpntdxxnxDxpxpxnqJxnnpnnpndxxnxqDxpJdxxnqQJQtBBBBBBBBBB2) () () (1) () () ()() () () ()() () () ()()()() () () ()(;/20202202222220半导体器件原理南京大学（5）SiGe基区 基区集电结具有最大的Ge组份，而近发射结具有最小的锗组份，以最大化电子的漂移电场。通常的SiGe双极型晶体管

7、是基区带隙渐变的晶体管。半导体器件原理南京大学特点：（1）高发射效率（高势垒对注入到发射区的少子的阻挡作用）（2）低基区电阻（由于（1）可对基区重掺杂，而不影响发射效率）（3）低的发射极电流集边效应（由于低的发射结电压）（4）改进频率特性（由于（1）与（2）（6）较高的工作温度。制备：外延生长技术。结构：缓变基区：产生内建电场。双异质结结构：宽发射与集电极。半导体器件原理南京大学)exp(1/)()()()()exp(1/)()()()()exp(1/()()exp(1)(),()()()()exp()()(,00,0020,20,2020,22kTEkTESiJSiGeJSiSiGekTEk

8、TESiJSiGeJWNSinqDSiJkTEkTEWNxnqDdxWxkTENxnqDdxxSiGenxDxpqSiGeJWxkTESinSiGenSiGegSiGegCCSiGegSiGegCCBBieBnBCSiGegSiGegBBieBnBWBSiGegBieBnBWieBnBpCBSiGegieBieBBB电流放大半导体器件原理南京大学)exp()()()()( 1)exp()()()( 1)exp()exp()/exp()()/exp(),(),(),()()(),()()(,0,22022kTESiVSiSiGeVSiGekTEEkTSiVSiGeVCWqNSiVkTEEkTCW

9、qNdxWxkTECkTEqNSiGeVkTEWSinWSiGendxxSiGenxDxNCWSiGenWqDSiGeVSiGegAASiGegSiGegAAdBCBBASiGegSiGegdBCBBWBSiGegdBCSiGegBASiGegBieBBieBWieBnBBdBCBieBBnBABB厄来电压半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学 )exp(1)(12)()(2)( )exp(1 122)exp()exp(1) ,() () ()(),()(,2,2,0,202kTEEkTEkTSitSiGetDWSitsAkTEEkTEkTDWdxdxWxkTEWxkTEDdxdxxSi

10、GenxDxNxNxSiGenSiGetSiGegSiGegSiGegBBnBBBSiGegSiGegSiGegnBBWxBSiGegWBSiGegnBWxieBnBBWBieBBBBBB基区渡越半导体器件原理南京大学3。 集电区的设计半导体器件原理南京大学集电区的设计要点:(1)减小串联电阻, 但集电区厚度对基区-集电极击穿电压和大电流下的集电极电流特性有较强的作用.(2)尽量减小寄生集电区的面积及其电容.(3)对一给定的非本征基区面积,寄生集电区的掺杂应尽可能的小, 以获得最小的电容和最大的非本征基区-集电极的反向击穿电压.基区展宽效应较小时的集电极设计1) 要控制基区展宽效应, 集电极电

11、流必须远小于最大电流密度CsatCNqvJJmax半导体器件原理南京大学 必须增大集电区掺杂浓度, 以使集电极允许值不致过小. 这又将导致基区-集电结电容的增大以及基区-集电结的击穿,集电区的设计必须进行优化和折衷.基区-集电结击穿效应的折衷: 现代VLSI电路的工作电压为3-5V, 这足以导致双极型器件的基区-集电结的击穿.(1)减小掺杂浓度, 但将减小电流密度(2)近基区-集电结的基区掺杂分布的设计 扩散或离子注入, 导致一逐渐减小的掺杂浓度分布, 减小近基区-集电结的基区电场.半导体器件原理南京大学(3)近基区-集电结的集电区掺杂分布的设计 采用退化的集电区掺杂分布,以减小相应电场. 以

12、上技术同时将减小基区-集电结的耗尽层电容, 从而改进器件性能. 但将引起基区扩展效应的加剧, 这又要求减小基区-集电结电流密度以及最高速度.半导体器件原理南京大学2)基区展宽效应较大时的集电极设计 实际的双极型器件的电流密度超过0.5mA/um2, 导致较大的基区扩展效应. 基区扩展效应导致多余的少数载流子存储在集电区中, 从而贡献于发射结扩散电容. 这时, 扩散电容将限制电路速度和截止频率.减小扩散电容, 必须使存储在集电区中的少数载流子最少. 除采用退化分布之外, 必须减小集电区层厚度(通过外延技术可以实现), 而这将导致基区-集电结的耗尽层电容的增加.(1)小电流下, 基区扩展效应可忽略

13、, 薄集电区将导致电路速度的下降.(2)大电流下, 基区扩展效应较大, 薄集电区将导致电路速度的提高半导体器件原理南京大学4。 现代双极型晶体管的结构 深沟隔离, 双多晶硅和自对准双极工艺半导体器件原理南京大学(1)深沟隔离 以深沟隔离代替扩散隔离, 使隔离宽度大大减小. 并将大大减小集电极-衬底电容.但扩散由于工艺简单, 成本较低, 所以仍在很多双极器件中使用.(2)多晶硅栅 多晶硅栅允许较小的发射结深度, 使研制重复性好的薄基区晶体管成为可能.(3)自对准多晶硅基区的接触 自对准多晶硅基区的接触使非本征基区的尺寸无须与金属电极匹配, 从而可以大大减小非本征基-集电结电容. 非本征基区可以不

14、依赖于本征基区, 这将大大增大本征基区的设计与工艺窗口, 使薄基区晶体管更易实现.半导体器件原理南京大学(4)基架集电极 基架集电区在本征基区的正下方较其周围有更高的掺杂浓度. 更高的掺杂浓度将最大减小基区扩展效应, 而低的寄生集电极掺杂浓度将减小基区-集电结电容. 通过离子注入可以实现.(5)SiGe基双极晶体管半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学采用目前硅集成电路工艺; 速度提高80% (210 GHz)，功耗降低50%.最快Si基晶体管半导体器件原理南京大学二、双极型器件性能参数双极型器件的优化会影响其它双极型器件的性能, 它是一折衷的过程.优化过程应在电路或芯片水平上, 是一应

15、用与环境的函数.1。 双极型晶体管的特点 (1) 截止频率优化双极型器件性能的最常用参数半导体器件原理南京大学kTqIVQCIIttttQrrCCCqIkTfCCfgCCjgCCrjrgCCjrCjgiivCjCjrivCjvgiCFBEDEDECFcBCBEBEDEcedBCdBCdBECFTTmmmmbcbebbebemc)()()(21)(21)()(,)(1)()/1()()1(在高频时半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学(2) 最高振荡频率2/1max)8(dBCbTCrff(3) 园环振荡和门延迟 对大信号数字和逻辑电路应用, 截止频率和振荡频率并不是一合适的器件参数, 这

16、时一般使用门延迟作为电路中器件的特性参数. 对一种电路的器件设计点与优化并不一定表示是另一电路的设计点. 在高性能的逻辑应用中, 一般采用发射结耦合逻辑或ECL电路. 园环振荡电路可被用来测量逻辑门的开关速度 (P/2n).半导体器件原理南京大学2. 数字双极型(反相)电路Vin=Vref+(-)V/2半导体器件原理南京大学1) 逻辑门的延迟部分半导体器件原理南京大学(1)基区输运时间延迟低电流下与IC无关, 高电流下(基区扩展时)随IC增大而增加. 在高性能数字电路设计中基区输运时间延迟是主要的延迟部分.(2)本征基区电阻延迟低电流下与IC无关, 高电流下(基区扩展时),基区电阻减小,使之随

17、IC增大而减小, 一般该延迟很小.(3)寄生电阻(发射与集电极)延迟不依赖于工作电流, 一般很小.半导体器件原理南京大学(4)负载电阻延迟 RL=V/IS 随开关电流而减小,ECL电路一般设计工作在较大电流下, 以减小负载电阻(电容)延迟 .(5)扩散电容延迟CDE2ISF/V小电流下, F不依赖于工作电流, 该延迟与电流成正比大电流下,基区扩展效应变得显著, F随工作电流增大, 扩散电容延迟与ISF成正比.半导体器件原理南京大学延迟分成两部分:与本征器件参数有关的延迟: 依赖于器件的结构参数.与器件电路非本征参数有关的延迟: 与其物理结构和制备过程有关.物理结构包含物理版图, 对相同的本征器

18、件参数, 器件特性将依赖于布置与安排.(a)具有较小的基极-集电极面积, 从而具有较小的非本征结电容. 基区电流只能沿一个方向流动. 基区电阻较大(b)具有较大的基极-集电极面积, 从而具有较大的非本征结电容. 基区电流可沿两个方向流动.基区电阻仅为(a)的1/4.2) 数字电路的器件结构和版图输出半导体器件原理南京大学对低功率器件, 基区电阻的减小不足以补偿集电极电容的增加, 使电路速度变慢.对大功率器件,基区电阻的减小足以补偿集电极电容的增加, 使电路速度变快.半导体器件原理南京大学3. 数字电路中双极型器件的优化由于双极型器件的仔细设计与集电极电流密切关联, 延迟对电流或功耗的依赖关系必

19、须转变为对集电流的依赖关系.1)数字电路的设计要点(1)ECL电路中的所有器件中流过同样的电流密度.(2)ECL电路中具有较小的逻辑电压变化值(驱动芯片上的电路:400 mV;驱动芯片外的电路: 800 mV)(3)ECL电路中逻辑电压变化值远小于CMOS器件中的情形(与其工作电压相当, 即使对0.1um的器件,电源电压为1.2V).这使双极型电路在驱动大的负载电容时具有较大的速度优势.半导体器件原理南京大学A:功率*延迟优化; B:延迟(功率不太大); C:大的延迟半导体器件原理南京大学2) 基区展宽效应明显时的器件优化减小基区展宽, 提高器件速度(特别是在负载电阻较大时).(1)增加集电区

20、掺杂(2)减小集电区厚度(3)增大发射结面积以减小集电结电流密度(4)减小基区展宽会导致器件电容的增加,从而增大负载电阻的延迟时间.(5)如果基区展宽较显著, 门延迟对本征基区的厚度的依赖不再灵敏.(6)如果基区展宽较显著并具有较大的负载电容, 减小器件电容并不能改进器件速度, 除非首先减小基区展宽效应.半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学3)基区展宽效应较小时的器件优化基区展宽和负载电阻延迟较小时, 采用减小基区渡越时间和扩散电容部分, 以提高器件速度.正向输运时间的最小化发射结延迟时间基区-集电结耗尽层输运时间基区发射结耗尽层传输时间基区渡越时间nBBBsatdBEBEsatdBC

21、BCpECEEBCBEBEFDWtvWtvWtIQemitterdeepttttt222)(20半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学4) 低功率延迟乘积的器件优化低功率延迟的优化点: A. 低电流密度电路, 门延迟主要由负载电阻部分决定, 与以下电容有关:(1)基区集电结势垒层电容:减小集电极掺杂浓度, 但要控制基区的展宽, 必须保证一定的掺杂浓度.(2)基区发射结势垒层电容:减小本征基区掺杂浓度, 但必须相应增加基区宽度, 增大基区渡越时间延迟. 一般并不特别优化(除非减小发射区面积).(3)集电极衬底结电容: 降低衬底掺杂浓度和深沟隔离来代替P型扩散隔离.(4)负载电容: 互联电容

22、和输入器件电容, 后者可优化设计, 随基区发射结和基区集电结电容的减小而减小.半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学5) 双极型器件的优化实例薄集电区的器件在低电流密度和基区展宽效应可忽略时, 具有较大的门延迟.但薄集电区的器件在高电流密度和基区展宽效应和发射结扩散电容增大时, 将具有较快的速度.(发射结扩散电容决定门延迟).半导体器件原理南京大学4. ECL电路中双极型器件的等比例缩小等比例缩小原则: 一致地减小主要的电阻与电容部分, 以使主要延迟部分随晶体管的横向尺寸等比例缩小, 保证器件在等比例缩小时的优化设计基本不变 (rb/RL 和CDE/CdBC的比值保持不变).其它限制:(

23、1)与MOSFET不同, 等比例缩小时开启电压基本保持不变(2)集电极掺杂浓度应随集电极电流等比例缩小, 以控制等比例缩小时基区扩展效应.(3)在基区宽度缩小时,必须增加基区的掺杂浓度(NB WB-2), 以等比例减小WdBE, 避免发射区与集电区的串通.半导体器件原理南京大学1). 器件等比例缩小规则半导体器件原理南京大学实际的ECL等比例缩小半导体器件原理南京大学2)ECL电路中双极型器件等比例缩小的限制(1)集电极电流密度限制等比例缩小规则要求集电极电流密度和集电极掺杂浓度增加K2, 因此基区-集电结雪崩击穿限制了一个双极型器件的物理尺寸的缩小和器件速度的提高限度.实际的集电区掺杂浓度较规则要小, 这会加重基区展宽效应, 并使电路延迟随集电极电流密度而趋于饱和.半导体器件原理南京大学(2)器件击穿导致的限制较高的速度,但击穿电压却较小