第10章模擬集成電路中的特殊元件

第十章模擬集成電路中的特殊元件內(nèi)容提要模擬IC的發(fā)展簡史特殊元件的結(jié)構(gòu)、性能特點、使用場合一．概念具有對各種模擬量進行處理功能的集成電路，包括了數(shù)字電路以外的所有集成電路。二．分類線性電路：輸出信號與輸入信號之間存在線性關(guān)系，如運放，電壓跟隨器，放大器等；非線性電路：如乘法器，比較器，穩(wěn)壓器，調(diào)制器，對數(shù)放大器等。三．特點①品種多，線路復(fù)雜，重復(fù)單元少；②電源電壓高（>12V）；③工藝復(fù)雜，精度要求高。四．發(fā)展概況繼數(shù)字電路之后，六十年代中期開始迅速發(fā)展，由于最初產(chǎn)品基本上局限于放大器，故稱之為線性電路，后來出現(xiàn)了許多新品種，超出了線路電路的范疇，沒有歸屬，于是，1967年國際電器委員會（IEC）正式提出了模擬集成電路的概念。以運放為例：四十年代：電子管運放，用于計算機中，進行各種數(shù)學(xué)運算，運放由此得名。五十年代：雙極型晶體管運放。六十年代：單片集成運放出現(xiàn)。原始型：uA702為代表，標志：電阻負載；第一代：uA709為代表，標志：橫向PNP管；七十年代：第二代：uA741為代表標志：有源負載；第三代：MC1556為代表標志：超β管八十年代：第四代：MA2900為代表標志：雙極、MOS結(jié)合，斬波穩(wěn)零技術(shù)?！?0-1橫向PNP管一．典型結(jié)構(gòu)及制造工藝在n型外延層上，同時完成發(fā)射極和集電極的硼擴散，然后磷擴散給出基區(qū)引線孔，蒸鋁，反刻。

由于射區(qū)注入的少子在基區(qū)中沿襯底平行的方向流動，故稱橫向管。PnPn+PPn+ECB

二．電學(xué)特性：

1．電流增益：從橫向PNP管的結(jié)構(gòu)可知，橫向PNP管存在兩個寄生縱向PNP管。當橫向PNP管正向有源時：這樣：射區(qū)-基區(qū)-襯底寄生縱向PNP管正向有源；集電區(qū)-基區(qū)-襯底寄生管反向截止。由于存在寄生晶體管，嚴重地影響到橫向PNP管的電學(xué)特性，這也是它質(zhì)量不高的一個重要原因。下面采用簡化模型分析橫向PNP管的HFE

。

假設(shè)：①發(fā)射區(qū)均勻摻雜，即均勻注入；②忽略n+埋層上推形成的漂移場影響；③橫向及縱向基區(qū)寬度均小于空穴擴散長度。利用：可得：式中：AX、AY發(fā)射結(jié)橫向（縱向）面積；

Wbx、WbY橫（縱）向基區(qū)寬度；

WeY為發(fā)射結(jié)縱向深；

WeX為發(fā)射極引線孔到發(fā)射區(qū)邊距離。當縱向寄生管基區(qū)寬度WBY>LPB時按照一般的設(shè)計數(shù)據(jù)：計算值β<10

Xjc（WeY

）3μmNBSRO~150NBC5Wbx8μWbY15μWbL10μ事實上，按照上述設(shè)計數(shù)據(jù)制作的橫向PNP管，其實際放大倍數(shù)要大得多，目前國內(nèi)水平一般在50以內(nèi)，國外約為100。偏差的原因：

1、發(fā)射區(qū)非均勻注入；

2、n+

隱埋層上推形成對少子（空穴）縱向的阻滯區(qū)，減小了寄生縱向管的作用。提高β的途徑：1、橫向結(jié)面積盡可能大，縱向結(jié)面積盡可能?。ㄈQ于圖形設(shè)計及結(jié)深設(shè)計）；2、射區(qū)（硼）深擴散；3、提高注入效率；4、表面鈍化（減小表面復(fù)合）；5、間隙埋層，埋層為高復(fù)合區(qū)將增加縱向基區(qū)復(fù)合電流（使Iβ增大，β下降），采用間隙埋層則是一種折衷的辦法；6、采用場助PNP管，外加電場，提高橫向發(fā)射結(jié)有效偏置。事實上，所有的這些措施都受到條件及其它元件特性的限制，在實際工藝中，往往是通過減少污染，表面吸雜與鈍化，增大硼擴散結(jié)深來控制β。另外，由于橫向PNP管基區(qū)濃度低，發(fā)生大注入效應(yīng)（基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，大注入自建電場，有效基區(qū)擴展效應(yīng)）的臨界電流密度小，且由于縱向無效注入，使其電流容量較小。一般采用最小設(shè)計尺寸時，認為有效電流不得超過0.5～1mA。

2．擊穿特性：三種擊穿機構(gòu)：熱擊穿，隧道擊穿，雪崩擊穿對橫向PNP管，輕摻雜，屬雪崩擊穿。由于基區(qū)電阻較大，雪崩擊穿電壓較高，當cb結(jié)反偏時，耗盡區(qū)擴展很嚴重，以至尚未達到cb結(jié)擊穿電壓，而ce結(jié)已穿通。因此橫向PNP管的擊穿特性實際上是ce結(jié)的穿通電壓。采用突變結(jié)近似：3．頻率特性：由于基區(qū)寬度大，渡越時間長，且存在寄生晶體管效應(yīng)，頻率特性較差，典型值1～2兆赫。三．橫向PNP管常用圖形兩個特點：

1、基區(qū)為外延層，因而基區(qū)等電位的管子可置于同一隔離島；

2、只有發(fā)射結(jié)正對著收集極的側(cè)面積才對β有貢獻，因而圖形設(shè)計中總是以集電區(qū)圍繞著發(fā)射區(qū)。據(jù)此，我們可以采用一個基極制作出多個發(fā)射極和集電極，也可以根據(jù)需要，以多個集電極圍取一定比例的發(fā)射區(qū)側(cè)面積，來制作β成比例的多個共基極晶體管，還可按設(shè)計要求，制作具有固定的電流放大倍數(shù)的晶體管。

1．單個橫向PNP管①圓形結(jié)構(gòu)：特點：發(fā)射結(jié)周界小，有利于減小復(fù)合電流，且消除了棱角電場。②環(huán)形結(jié)構(gòu)：特點：在同樣擴散深度下，發(fā)射結(jié)側(cè)面積與縱向面積之比較大。從版圖尺寸考慮：①發(fā)射區(qū)面積要小（提高fT，β）；②Wbx適當（兼顧fT，β

，VPT）；③基區(qū)引線孔靠近射區(qū)，且面積大（減小Rb）。2、多集電極橫向PNP

管特點：共用基、射極，各集電極電流IC

（β）之比正比于它們所正對的射區(qū)側(cè)面積之比。3、可控增益橫向PNP管特點：將多個集電極中的一個與基極短接形成負反饋，穩(wěn)定電流增益，此時增益由版圖定。4、多發(fā)射極，多集電極橫向PNP

綜合：1、橫向PNP管受基區(qū)寬度及寄生效應(yīng)影響，增益較低，10~50，頻率特性較差，幾MH。2、其擊穿特性受穿通電壓限制，約幾十伏。3、版圖設(shè)計采用集電區(qū)圍繞發(fā)射區(qū)，以盡量利用其有效射區(qū)側(cè)面，且采用埋層結(jié)構(gòu)。4、大電流特性較差。5、工藝與NPN管相容，簡便，可簡化電路，因而獲廣泛應(yīng)用?！?0-2縱向PNP管

在模擬集成電路中，在某些場合下，要求PNP管具有較高的耐壓和較大的電流容量。例如輸出管，要求具有額定輸出電流，耐壓大于電源電壓，這時，橫向晶體管難以勝任。在這種場合，我們可以選擇縱向PNP管。

一．襯底PNP管1．結(jié)構(gòu)及其制造工藝：

P型襯底作為集電極，n型外延層作為基區(qū)，硼擴散形成發(fā)射區(qū)。2．電學(xué)特性：⑴電流增益

《晶體管原理》導(dǎo)出了NPN型均勻基區(qū)晶體管的β為：

變換到PNP管，并利用得：顯然，對于縱向PNP管來說：

Wb較大，因而β較低；

R□e較大，注入效率不夠高；影響了電流增益。提高β的途徑：1、工藝上避免玷污，吸雜，鈍化，以提高少子壽命。2、選擇適當?shù)幕鶇^(qū)寬度。3、加p+隱埋層，在基區(qū)形成少子的加速場。4、適當調(diào)整硼擴散濃度及外延層電阻率。⑵擊穿特性縱向PNP管的集電結(jié)實際上就是隔離結(jié)，一般擊穿電壓在100V以上，設(shè)計中不需考慮。⑶大電流特性與橫向PNP管類似，襯底PNP管的基區(qū)寬度大，基區(qū)濃度低，容易發(fā)生發(fā)射極電流集邊效應(yīng)和基區(qū)電導(dǎo)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，不同的是，襯底PNP管沒有寄生晶體管，但其集電區(qū)濃度較低，容易發(fā)生有效基區(qū)擴展效應(yīng)，因此其電流容量也較小，一般取10μA/μm。⑷頻率特性由于沒有寄生晶體管的影響，襯底PNP管的頻率特性優(yōu)于橫向PNP管，一般為10M左右。

fT決定于Wb3．襯底PNP的圖形①由額定電流決定發(fā)射極條長，可取梳狀；②基區(qū)包圍發(fā)射區(qū)，以降低Rb；③集電極從隔離槽引出。

二．三重擴散PNP管

1．結(jié)構(gòu)與制造工藝在普通NPN管的基礎(chǔ)上再擴p+構(gòu)成PNP結(jié)構(gòu)（發(fā)射區(qū)p+，基區(qū)n+，集電區(qū)p）

2．特點：①具有雙重隔離性能，因而所有這種晶體管可置于同一島上；②n+濃度已很高，由于受固濃度限制，p+區(qū)域的濃度難以提高到獲得滿意的發(fā)射注入效率；③基區(qū)重摻雜，少子壽命低；④圖形尺寸大，寄生電容大。這樣，既增加了工序，又難以得到滿意的晶體管，因而極少采用?！?0-3超β管模擬集成電路中，差動作為一個基本單元電路，其質(zhì)量直接影響到電路的性能。回顧差分對電路，有兩個重要指標Ri，IiO

差模輸入電阻：顯然從兩端看到的差模阻抗應(yīng)為單管的阻抗的兩倍。（差模輸入時相當于兩管be結(jié)串聯(lián)）于是：故：失調(diào)電流：可見，在保證一定的工作電流（IC）時，IB越小，差分對的指標越高。這可從兩方面達到。一是線路設(shè)計，如達林頓復(fù)合管輸入，場效應(yīng)管輸入。二是工藝措施，增大輸入管β值，由此產(chǎn)生超β管。所謂超β管，一般認為β>1000，當IC幾十uA時，Ib為nA數(shù)量級。

一．提高的主要途徑對緩變基區(qū)晶體管：第一項表示了注入效率，從實際考慮，受固社會濃度限制，R□e/R□b不能無限制減小，當時，由于重摻雜效應(yīng)，有效濃度反而降低，且俄歇復(fù)合迅速增加，使注入效率降低。第二項表示基區(qū)輸運系數(shù)，通常NPN管Wb<1μ，故這一項對β影響很小。第三項表示基區(qū)表面復(fù)合，第四項表示發(fā)射結(jié)勢壘區(qū)復(fù)合，可以從設(shè)計及工藝上將其影響減小到最小。分析可知，對第三項的要求，超β管與普通NPN管相同，這就意味著超β管的關(guān)鍵仍在注入效率與基區(qū)輸運系數(shù)。我們將第一項再作變換

顯然：①盡可能減小Wb，不但使提高了基區(qū)輸運系數(shù)而且同時提高了注入效率，可大大地提高β。②在足夠大的基區(qū)輸運系數(shù)的前提下，降低基區(qū)摻雜濃度，提高注入效率。基于此，形成二種類型的超β管

穿通型超β管1、設(shè)計思想：減小Wb，以降低BVcbc、BVceo為代價來獲得高β值，由于Wb很小，當cb結(jié)反偏時，勢壘區(qū)很快擴展過基區(qū)，而造成ce穿通，故稱穿通型。2、工藝：

a：兩次磷擴散在普通NPN管的射區(qū)加一次磷擴散，將射區(qū)推深，減小Wb。

b：兩次硼擴散超β管的硼擴散與普通NPN管硼擴散分別進行，使超β管的硼擴為淺結(jié)。

3、穿通型超管特點a：基寬調(diào)制效應(yīng)明顯，特性曲線呈掃帚形；b：穿通電壓低，約2~7V；c：為減小基區(qū)及發(fā)射結(jié)勢壘表面復(fù)合，在版圖設(shè)計上，通常采用圓形發(fā)射區(qū)，及大面積金屬覆蓋；d：線路設(shè)計中，通常使超β管bc結(jié)偏置為接近0V。這樣首先是保護其不被擊穿，其次降低了基寬調(diào)制效應(yīng)，再就是避免了集電結(jié)漏電流Icbo，提高了溫度穩(wěn)定性。

4、離子注入超β管a：設(shè)計思想：降低基區(qū)雜質(zhì)濃度，提高注入效率。b：工藝首先離子注入p-，高溫推深，形成基區(qū)，再擴硼，在周圍形成p+環(huán)，一方面避免p-表面反型造成ce穿通，另一方面作基區(qū)的歐姆接觸。擴磷形成發(fā)射區(qū)。c：特點：①由于采用離子注入，成本較高，但重復(fù)性好，工藝上容易控制。②只要基區(qū)少子壽命較長，Wb可較大，穿通電壓比較高。

§10-4隱埋齊納二極管模擬集成電路中，有些基本單元電路，如基準源電路，電平位移電路等，常常利用一個二極管的反向特性，來獲得一個比較穩(wěn)定的電壓，這種二極管稱為齊納二極管。直流電路中，當前一級的工作點發(fā)生偏移時，會被放大傳輸?shù)较乱患?，因此，許多多級放大電路中包含有內(nèi)穩(wěn)壓源，提供穩(wěn)定的工作點。在這些電路對齊納二極管的共同的要求是：

a：動態(tài)內(nèi)阻小，以避免大電容退耦；

b：擊穿電壓穩(wěn)定；

c：噪聲小。對于普通齊納二極管，其特性并不令人滿意。大家知道，不良的表面狀態(tài)會使PN結(jié)擊穿電壓降低。普通齊納二極管PN結(jié)的一部分暴露于表面，受到SiO2中電荷及界面態(tài)的影響，因此擊穿往往在表面首先發(fā)生，形成軟擊穿，且擊穿電壓不穩(wěn)定。由此出現(xiàn)了隱埋齊納二極管，它的設(shè)計思想是：將PN隱埋于體內(nèi)，從而不受表面狀態(tài)的影響。1、擴散法首先進行深硼擴散p+，再按正常工藝擴硼，覆蓋p+，擴磷覆蓋，這樣，相當于兩個PN結(jié)并聯(lián)，由于濃度的差異，體內(nèi)PN結(jié)首先擊穿。2、離子注入法：先按正常工藝淡硼擴散及磷擴散，離子注入β離子覆蓋n+并連通p。由于注入離子峰值在體內(nèi)，因而體內(nèi)先擊穿。3、版圖設(shè)計時應(yīng)采用圓形結(jié)構(gòu)，避免棱角電場造成局部擊穿。§10-5集成電路中的電容器一、結(jié)電容反偏PN結(jié)具有與結(jié)相關(guān)聯(lián)的耗盡層電容；正偏的PN結(jié)具有與結(jié)相關(guān)聯(lián)的擴散電容?？疾煲粋€PN的等效電路：正偏時，電容兩端呈低阻抗，顯然無法使用；反偏時，主要是CT，gI，RS起作用，電容兩端呈高阻抗，顯然我們要求與結(jié)電容相關(guān)的PN結(jié)具有較大的CT

，較小的RS和gI。模擬集成電路中，be結(jié)電容量最大，但由于Wb小，Rb大，Q值不高，實用價值不大。cs結(jié)單位面積電容量最小，也不適用，cb結(jié)電容量適中，串聯(lián)電阻不大（20Ω）采用最多。1、bc結(jié)電容零偏時

2、當要求容量較大時，可采用p+n+并聯(lián)結(jié)構(gòu)。零偏時耐壓4.5V3、結(jié)電容的特點：

a．具有極性，只能使用于反偏狀態(tài)；

b．串聯(lián)電阻較大，Q值不高；

c．存在反偏漏電流，溫度特性差；

d．電容量隨電壓變化。

二．MOS電容器1、結(jié)構(gòu)：在隔離島上擴磷形成下極板，以鋁膜作為上極板，SiO2作為介質(zhì)，由此稱為MOS電容。對于MOS電容器的分析可直接引用《半導(dǎo)體物理》的結(jié)果。但是在這里，n+濃度非常高，一般近似認為電容量不變。2、特點：

a．無極性；b．耐壓高；

c．精度高；d．串聯(lián)電阻小，Q值高；

e．面積大，成品率較低。三、薄膜電容器薄膜電容器實際上是平板電容器，一般限于需要較大電容量時使用。平板電容器的電容量與介質(zhì)材料及其厚度有關(guān)，采用薄膜電容器，可以自由選擇介質(zhì)材料，因而比之MOS電容具有更大的靈活性，缺點是增加工序?！?0-6薄膜電阻器

在集成電路中，由于制作方便，一般采用硼擴散電阻，有時根據(jù)電路設(shè)計要求，也采