半导体集成电路第三篇资料.docx
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半导体集成电路第三篇资料
《半导体集成电路》
第三篇模拟集成电路
一．概念
具有对各种模拟量进行处理功能的集成电路，包括了数字电路以外的所有集成电路。
二．分类
线性电路：
输出信号与输入信号之间存在线性关系，如运放，电压跟随器，放大器等；
非线性电路：
如乘法器，比较器，稳压器，调制器，对数放大器等。
三．特点
①品种多，线路复杂，重复单元少；
②电源电压高（
）；
③工艺复杂，精度要求高。
四．发展概况
继数字电路之后，六十年代中期迅速发展，开始称之为线性电路，后来出现了许多新品种，很多品种超出了线路电路的范畴，没有归属，于是，67年国际电器委员会（IEC）正式提出了模拟集成电路的概念。
下面以运放为例看发展：
四十年代：
电子管运放，用于计算机中，进行各种数学运算，运放由此得名。
五十年代：
双极型晶体管运放。
六十年代：
单片集成运放出现。
原始型：
为代表，
电阻负载；
第一代：
为代表，
标志：
采用横向PNP管；
七十年代：
第二代：
为代表（七十年代），
标志：
有源负载；
第三代：
为代表（七十年代），
标志：
超
管
八十年代：
第四代：
为代表（八十年代），
标志：
双极，MOS结合，斩波稳零技术，大规模。
第十一章模拟集成电路中的特殊元件
预备知识：
晶体管平面工艺《半导体工艺原理》
晶体管直流特性《晶体管原理》
§11-1横向PNP管
一．典型结构及制造工艺
在n型外延层上，同时完成发射极和集电极的硼扩散，然后磷扩散给出基区引线孔，蒸铝，反刻。
由于射区注入的少子在基区中沿衬底平行的方向流动，故称横向管。
二．电学特性：
1．电流增益：
从横向PNP管的结构可知，横向PNP管存在两个寄生纵向PNP管。
当横向PNP管正向有源时
这样：
射区—基区—衬底寄生纵向PNP管也牌正向有源区；
集电区—基区—衬底寄生管反向截止，可忽略其影响。
由于存在寄生晶体管，严重地影响到横向PNP管的电学特性，这也是它质量不高的一个重要原因。
下面我们采用简化模型分析横向PNP管的
。
假设：
①发射区均匀掺杂，则均匀注入；
②忽略n+埋层上推形成的漂移场影响；
③横向及纵向基区宽度均小于空穴扩散长度。
利用：
可得：
式中：
为发射结横向面积；
为发射结纵向面积；
，
为横（纵）向基区宽度；
为发射结纵向深；
为发射极引线孔到发射区边距离。
当纵向寄生管基区宽度
时
按照一般的设计数据：
Xjc（WeY）3
RO~150
5
8
15
10
计算值
事实上，执照上述设计数据制作的横向管，其放大倍数要大得多，目前国内水平一般在50以内，国外约为100。
偏差的原因：
①：
发射区非均匀注入；
②：
n+隐埋层上推形成对少子（空穴）纵向的阻滞区，减小了寄生纵向管的作用。
提高
的途径：
①：
横向结面积尽可能大，纵向结面积尽可能小（取决于图形设计及结深设计）；
②：
射区（硼）深扩散；
③：
提高注入效率；
④：
表面钝化（减小表面复合）；
⑤：
间隙埋层，埋层为高复合区将增加纵向基区复合电流（使
增大，
下降），采用间隙埋层则是一种折衷的办法；
⑥：
采用场助PNP管，外加电场，提高横向发射结有效偏置。
事实上，所有的这些措施都受到条件及其它元件特性的限制，在实际工艺中，往往是通过减少污染，表面吸杂与钝化，增大硼扩散结深来控制
。
另外，由于横向PNP管基区浓度低，发生大注入效应（基区电导调制效应，大注入自建电场，有效基区扩展效应）的临界电流密度小，且由于纵向无效注入，使其电流容量较小
。
一般采用最小设计尺寸时，认为有效电流不得超过
。
2．击穿特性：
PN结有三种地窖机构：
热击穿（漏电），隧道击穿（重掺杂），雪崩击穿（轻掺杂）；
对横向PNP管，属雪崩击穿。
由于基区电阻较大，雪崩击穿电压较高，当cb结反偏时，耗尽区扩展很严重，以至尚未达到cb结击穿电压，而ce结已穿通。
因此横向PNP管的击穿特性实际上是ce结的穿通电压。
采用突变结近似：
3．频率特性：
由于基区宽度大，渡越时间长，且存在寄生晶体管效应，频率特性较差，一般为几兆赫。
三．横向PNP管常用图形
两个特点：
：
基区为外延层，因而基区等电位的管子可置于同一隔离岛；
：
只有发射结正对着收集极的侧面积才对
有贡献，因而图形设计中总是以集电区围绕着发射区。
据此，我们可以采用一个基极制作出多个发射极和集电极，也可以根据需要，以多个集电极围取一定比例的发射区侧面积，来制作
成比例的多个共基极晶体管，还可按设计要求，制作具有固定的电流放大倍数的晶体管。
1．单个横向PNP管
圆形结构：
特点：
发射结周界小，有利于减小复合电流，且消除了棱角电场。
环形结构：
特点：
在同样扩散深度下，发射结侧面积与纵向面积之比较大。
从版图尺寸考虑：
发射区面积要小（提高
，
）；
全程（兼顾
，
，
）；
基区引线孔靠近射区，且面积大（减小
）。
2．多集电极横向PNP 管
特点：
共用基、射极，各集电极
（
）之比正比于它们所正对的射区侧面积之比。
3．可控增益横向PNP管
特点：
将多个集电极中的一个与基极短接形成负反馈，稳定电流增益，此时增益由版图定。
4．多发射极，多集电极横向PNP
综合：
1．横向PNP管受基区宽度及寄生效应影响，增益较低，10~50，频率特性较差，几
。
2．其击穿特性受穿通电压限制，约几十伏。
3．版图设计采用集电区围绕发射区，以尽量利用其有效射区侧面，且采用埋层结构。
4．大电流特性较差。
5．工艺与NPN管相容，简便，可简化电路，因而获广泛应用。
§11-2纵向PNP管
在模拟集成电路中，在某些场合下，要求PNP管具有较高的耐压和较大的电流容量。
例如输出管，要求具有额定输出电流，耐压大于电源电压，这时，横向晶体管难以胜任。
这里，我们介绍纵向PNP管。
一．衬底PNP管
1．结构及其制造工艺：
P型衬底作为集电极，n型外延层作为基区，硼扩散形成发射区。
2．电学特性：
电流增益
《晶体管原理》P104导出了NPN型均匀基区晶体管的
为：
变换到PNP管，并利用
得：
显然，对于纵向PNP管来说：
较大，因而
较低；
较大，注入效率不够高；
影响了电流增益。
书中对典型设计数据下纵向PNP管的电流增益作了计算。
提高
的途径：
工艺上避免玷污，吸杂，钝化，以提高少子寿命。
选择适当的基区宽度。
加
隐埋层，在基区形成少子的加速场。
适当调整硼扩散浓度及外延层电阻率。
击穿特性
纵向PNP管的cb结实际上就是隔离结，一般击穿电压在100
以上，设计中不需改善。
大电流特性
与横向PNP管类似，衬底PNP管的基区宽度大，基区浓度低，容易发生发射极电流集边效应和基区电导电导调制效应，不同的是，衬底PNP管没有寄生晶体管，但其集电区浓度较低，容易发生有效基区扩展效应，因此其电流容量也较小，一般取10
。
频率特性
由于没有寄生晶体管的影响，衬底PNP管的频率特性优于横向PNP管，一般为10
左右。
决定于
3．衬底PNP的图形
由额定电流决定发射极条长，可取梳状；
基区包围发射区，以降低
；
集电极从隔离槽引出。
二．三重扩散PNP管
1．结构与制造工艺
在普通NPN管的基础上再扩
发射区
基区
集电区
2．特点：
具有双重隔离性能，因而所有这种晶体管可置于同一岛上；
浓度已很高，由于受固浓度限制，
区域的浓度难以提高到获得满意的发射注入效率；
基区重掺杂，少子寿命低；
图形尺寸大，寄生电容大。
这样，既增加了工序，又难以得到满意的晶体管，因而极少采用。
§11-3超
管
在模拟集成电路中，差动放大器是一个基本单元电路，差分对的质量直接影响到电路的性能。
回顾差分对电路，有两个重要指标
，
差模输入电阻：
显然从两端看到的差模阻抗应为单管的阻抗的两倍。
（差模信号输入相当于两管be结串联）
于是：
于是
失调电流：
可见，在保证一定的工作电流（
）时，
越小，差分对的指标越高。
这可从两方面达到。
一是线路设计，如达林顿复合管输入，场效应管输入。
二是工艺措施，增大输入管
值，由此产生超
管。
所谓超
管，一般
1000，当
几十
时，
为
数量级。
下面我们讨论超
管。
一．提高
的主要途径
对缓变基区晶体管：
第一项表示了注入效率，从实际考虑，受固社会浓度限制，
不能无限制减小，当
时，由于重掺杂效应，有效浓度反而降低，且射区内俄歇复合迅速增加，使注入效率降低。
第二项表示基区输运系数，通常NPN管
1
，故这一项对
影响很小。
第三项表示基区表面复合，第四项表示发射结势垒区复合，可以从设计及工艺上将其影响减小到最小。
分析可知，对第三项的要求，超
管与普通NPN管相同，这就意味着超
管的关键仍在注入效率与基区车运系数。
我们将第一项再作变换
显然：
尽可能减小
，不但使基区输运系数达到几乎等于零而且同时提高了注入效率，可大大地提高
值。
在足够大的基区输运系数的前提下，降低基区掺杂浓度，提高注入效率。
基此，形成二种超
管
二．穿通型超
管
1．设计思想：
这种超
管的设计思想是减小
，以降低
、
为代价来获得高
值，由于
很小，当cb结反偏时，势垒区很快扩展过基区，而造成ce穿通，故称穿通型。
2．工艺：
：
两次磷扩散
在普通NPN管的射区加一次磷扩散，将射区推深，减小
，得到超
管。
：
两次硼扩散
超
管的硼扩散与普通NPN管硼扩散分别进行，使超
管的硼扩结深较浅，再一起扩磷。
3．穿通型超
管特点
：
基宽调制效应明显，特性曲线呈扫帚形；
：
穿通电压低，约2~7
；
：
为减小基区及发射结势垒表面复合，在版图设计上，通常采用圆形发射区，及大面积金属覆盖；
：
线路设计中，通常使超
管bc结偏置为接近0
。
这样首先是保护其不被击穿，其次降低了基宽调制效应，再就是避免了
，提高了温度稳定性。
三．离子注入超
管
：
设计思想：
降低基区杂质浓度，提高注入效率，获得高
值。
：
工艺
首先离子注入
，高温推深，形成基区，再扩硼，在
周围形成
环，一方面避免
表面反型造成ce穿通，另一方面作基区的欧姆接触。
扩磷形成发射区。
：
特点：
由于采用离子注入，成本较高，但重复性好，工艺上容易控制。
只要基区少子寿命较长，
可较大，穿通电压比较高。
§11-4隐埋齐纳二极管
模拟集成电路中，有些基本单元电路，如基准电压，源电路，电平位移电路等，常常利用一个二极管的反向特性，来获得一个比较稳定的电压，这种二极管称为齐纳二极管。
直流电路中，当前一级的工作点发生偏移时，会被放大传输到下一级，因此，许多多级放大电路中包含有内稳压源，提供稳定的工作点。
在这些电路中，对齐纳二极管的共同的要求是：
：
动态内阻小，以避免大电容退耦；
：
击穿电压稳定；
：
噪声小。
对于普通齐纳二极管，其特性并不令人满意。
大家知道，不良的表面状态会使PN结击穿电压降低。
普通齐纳二极管PN结的一部分暴露于表面，受到
中电荷及界面态的
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