《微电子前沿》DOC.docx

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《微电子前沿》DOC

微电子中的人类智慧

（一）

1AGC原理及AGC双极型晶体管

2双栅MOSFET原理及运用

3密勒原理和密勒电容

AGC:

⏹AGC自动增益控制（AutomaticGainControl）

⏹特点：

能够对输入幅度不断变化的信号进行补偿变换，从而得到幅度稳定的输出。

⏹应用：

电视机在接收近地电视台和远地电视台节节目时需要有相同的接收效果。

⏹在雷达、通信等领域被广泛应用。

实现AGC的方法：

⏹AGC双极型晶体管

⏹双栅MOSFET

⏹AGC集成电路

AGC双极型晶体管（BJT）原理

⏹当输入增加时，输出会同时增加，我们需要，衰减增益，使放大系数降低，则达到了稳定输出的目的。

⏹实现AGC的方法之一

⏹利用双极型晶体管的大注入效应（减小放大系数）

⏹利用大电流下的基区扩展--kirk效应（减小放大系数）

AGC双极型晶体管的局限性

⏹自动增益控制特性与频率特性是相矛盾----AGC要求基区扩展，而f反比于基区宽度的平方！

⏹自动增益控制范围不够大----由于器件频率特性的限制，有效基区不能展得太宽

⏹自动增益控制特性与高频噪声特性是相矛盾----AGC要求基区大注入，基区掺杂浓度低时，易于发生大注入效应

⏹基区掺杂浓度动愈低，器件高频噪声愈差

⏹重要慨念：

一个电子系统的噪声特性由第一级放大器噪声特性决定

双栅MOSFET

双栅MOSFET结构

双栅MOSFET的特点

⏹双栅MOS具有工作频率高，可变增益控制，噪声低以及反馈电容小等优点

⏹可在VHF（甚高频）和UHF（超高频）范围内稳定工作，广泛用于电视接收机和调频收音机的高放级以及通讯混频和调制等方面

双栅MOS的端口

⏹Gl靠近源极，加高频信号，称信号栅

⏹G2靠近漏极，加固定偏置或AGC电压，作增益控制栅

⏹S源端接地D漏端一般接电源

双栅MOSFET的工作区

⏹混频的双栅FET可模拟为两个单栅FET串连而成，因此双栅FET直流转移特性曲线为两个单栅FET流转移特性曲线反相迭加而成。

⏹按双栅FET所加直流偏压的不同,它相应地工作在三个不同的非线性模区:

区域I为低噪声混频模区（LNM）;区域II为自振荡混频模区（SOM）;区域III为镜像抑制混频模区（IRM）。

双栅MOS与单栅MOS输出特性的比较

双栅MOS工作区域：

工作区域

LNM

SOM

IRM

FET1

混频

混频

射频放大

FET2

中频放大

中频放大

混频

应用

低噪声混频

自震荡混频

镜象抑制混频

双栅MOSFET的应用

在SOM模区,FET1、FET2的跨导都比LNM模区的高,器件处于潜在不稳定状态,若此时加入介质谐振器,使其满足振荡条件,则可成为振荡源。

这样,当有射频小信号输入时,双栅FET就可实现自振荡混频功能

双栅MOSFET的应用

双栅MOSFET高频放大器

•此电路是彩色电视机高频调谐器中的具有自动增益控制作用的双栅场效应管高频放大器

•双栅场效应管工作在SOM区，g1是彩电的UHF信号，g2是AGC信号

双栅MOS工艺：

硅栅工艺介绍（铝硅栅工艺介绍）

采用Mo栅工艺原因

密勒电容

密勒定理

把图a中的电路转化成图b中的电路，且有

密勒定理运用

ＭＯＳ器件的小信号模型

⏹跨接在栅漏之间的电容Cgd会因密勒效应而被放大，使MOS管有效输入电容显著增加

⏹作业4（选做）：

试证明当输出端短路时，Cgd不会被放大；而当输出端不短路时，Cgd会被放大1+Av倍。

密勒电容的影响

等效电路：

⏹从Ｘ点可以看到的总电容等于　　　加上　　的密勒乘积项

两极运放的密勒补偿

密勒补偿前：

为了满足相位裕度，就必须使一个主极点向原点移动，所以需要一个很大的MOS电容，这要浪费很大的版图面积

采用密勒电容补偿

P1=-1/gm1*Rout1*Rout2*Cc

p2=-gm2/Cout

Z0=gm2/Cc

两个极点发生分裂，新产生一个右半平面的零点。

小结

⏹通常情况下，大注入效应和Kirk效应使器件的f特性变坏，但是，AGCBJT正是利用了通常BJT中应当尽力避免的大注入效应和Kirk效应

⏹在双栅MOS中G2屏蔽了G1/D之间的耦合，大幅减小了密勒效应,从而双栅MOS具有良好的超高频特性

通常情况下，对于MOS管或IC密勒效应是有害的，它使等效输入电容增加，器件或IC频率特性变坏。

但是，在IC中经常利用密勒效应来获得大电容。

微电子中的人类智慧

（二）

HBT：

HeterojunctionBipolarTransistor异质结

（1）BJT中的矛盾

如果想↑f，需↓Wb，而Wb↓⇒穿通电压↓和厄利电压↓。

如果想↑β,需↑Ne和↓Nb；↓Nb与↓Wb有同样问题，↑Ne受禁带变窄效应限制。

HBT可解决上述矛盾。

注入效率足够高⇒Wb↓而不穿通⇒f↑。

随着现在微波通讯技术的不断发展，人们要求通讯频率及带宽越来越高。

同时，也在不断寻找低功耗、低成本、低噪声的器件。

当前，Si器件技术占据大规模集成电路的主流，并且其价格低廉、集成度高、技术成熟成为目前市场的主流，但是由于通讯频率的不断升高，客观上要求Si器件越做越小，这在一定程度上受到技术和设备的限制，不可能无限制的缩小，因此寻找新的器件材料成为迫切的要求。

半导体异质结

⏹由两种基本物理参数不同的半导体单晶材料构成的晶体界面（过渡区）

⏹不同物理参数包括:

禁带宽度（Eg）,功函数,电子亲和势,介电常数等

普通双极型晶体管要作到超高速和超高频一般是较困难的

超高速晶体管应当是发射区掺杂浓度低,基区掺杂浓度高,而且hFE也适当高的一种晶体管

采用禁带较基区材料要宽的半导体做发射区,能做出超高速,超高频的双极晶体管

异质结能带图

双极型晶体管

在异质结中，由于基区带隙变窄，使得发射区与基区的导带距离缩小，发射区的电子从发射区的导带跃迁到基区的导带所需的能量更少，更有利于发射区电子的注入；同时由于发射区与基区的价带距离变大，空穴从基区的价带跃迁发射区的价带将需要用去更大的能量，从而有效的防止基区的空穴反注入发射区，提高了电流放大倍数β的值。

即使基区掺杂浓度NB比发射区杂质浓度NE高得多，但指数因子仍然可以使HBT具有足够的电流放大倍数。

而且，高的基区掺杂还有利于减小基区方块电阻；同时，通过降低基区厚度，还可降低基区渡越时间。

如果在基区通过浓度的缓变，基区将会形成能带弯曲，产生新的梯度场，这样发射区注入的电子在基区不仅有扩散速度，而且具有基区梯度场所引起的漂移速度，从而大大的加快了电子的输送速度，也就使得β达到一个更大的值。

通过使用HBT尽管得到近似于BJT基极一样的电流，但集电极电流由于窄带隙的作用增大了很多倍。

相应的模拟参数厄利电压（VA）也得到了大幅度地提高，从而导致βVA模拟参数迅速增加。

至于频率特性，由于异质结的作用而导致基区转移时间以及发射区转移时间的下降，所以即使在很低的基极电流下也可以得到很高的截止频率（fT）。

最大振荡频率（fM）与集电极、基极电容（Cjb）以及基区电阻有关，为了提高最大振荡频率，集电极、基极电容可以通过适当的集电极掺杂和减少发射区的宽度（典型的低于1μm）,基区电阻降低可以通过自对准工艺来实现。

包含有宽带发射区,由异质结发射结构成的双极晶体管,特称为异质结双级型晶体管

异质结双级晶体管的结构特点

具有宽带隙的发射区，大大提高了发射结的载流子注入效率

功率密度高

相位噪声低

线性度好

ＨＢＴ结构图解

HBT适用范围:

低相位噪声振荡器

高效率功率放大器

宽带放大器

3.SHBT肖特基势垒发射极HBT

⏹SHBT的概念是：

让传统HBT的宽禁带发射区厚度趋于零，但不为零。

⏹在SHBT的情况下，发射极厚度对发射极注入效率不再有影响。

--要用热电发射理论来解释基区向“发射区”的注入。

传统的HBT理论需修正。

⏹SHBT有与HBT类似的发射极高注入效率，但其发射极渡越时间比HBT短。

4.SiGe发射区HBT（窄禁带发射区HBT）

⏹与传统HBT相反，当发射区采用窄禁带材料时，BJT的发射极注入效率会变得极低，从而ß远小于1。

⏹SiGe发射区HBT的应用

1.SiGe阳极LIGBT

2.SiGe源区功率MOS/IGBT

3.SiGe源区CMOS

4.SiGe软快恢复二极管

5.闭锁效应的危害和应用

⏹闭锁效应

⏹闭锁条件：

βPNP*βNPN=1

⏹CMOS,IGBT必须防止发生。

⏹闭锁效应的应用

1）.可控硅

2）.高耐压ESD保护结构

1）.可控硅

A、结构

不管可控硅的外形如何，它们的管芯都是由P型硅和N型硅组成的四层P1N1P2N2结构。

见图1。

它有三个PN结（J1、J2、J3），从J1结构的P1层引出阳极A，从N2层引出阴级K，从P2层引出控制极G，所以它是一种四层三端的半导体器件

B、基本伏安特性

可控硅导通时，发生闭锁，产生强烈的BJT基区电导调制效应，从而使得其正向导通电阻极小

2）.高耐压ESD保护结构

⏹利用可控硅结构，使ESD保护结构具有很高的电流通过能力

⏹关于ICPAD的一些知识

1.面积

2.ESD

3.寄生电容

1.SIT（StaticInducedTransistor）、BSIT（BipolarStaticInducedTransistor）----最快的晶体管？

静态感应晶体管

⏹器件结构

⏹输出特性曲线

结论：

虽然SIT、BSIT的有源基区宽度可趋于零，但其无源基区结深必须足够大，从而导致其频率特性与JFET或MOS管相近似。

最快的晶体管？

=HBT

将MOS和BJT的优点结合起来构成BICMOS是人类智慧的闪光点之一。

将功率MOS和BJT的优点结合起来构成IGBT是人类智慧的另一闪光点。

BiCMOS集中MOS和BJT的优点，克服了两者的缺点。

IBiCMOS=（1+β）ICMOS

VDMOS—人类智慧

⏹传统的MOS器件

⏹耐压与F矛盾极为突出

⏹耐压与Ron矛盾极为突出

⏹BVds增加—Lch增加

⏹VDMOS--BVds增加—Lch不增加

VDMOS—前进中的困难

⏹漂移区电阻

⏹为了减小漂移区电阻---IGBT

⏹为了减小漂移区电阻---CB结构

IGBT的结构与VDMOS的结构很相似，区别只是IGBT用p+衬底替代了VDMOS的n+衬底,从而引入了pn结注入机制。

在正向工作条件下,注入少子时,高阻厚外延的n-区产生电导调制效应,降低了外延层的电阻率,从而减少了器件的导通电阻。

VDMOS和IGBT的特点

VDMOS：

多子器件，电压控制高输入阻抗，高的导通损耗，开关速度快

IGBT:

双极载流子，电压控制，电导调制，低的导通损耗，开关速度慢

（注：

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