第2章_2_双极型晶体管

null“龙 芯” 资 料“龙 芯” 资 料由中国科学院计算技术研究所与意法半导体公司编写了《龙芯2E处理器数据手册》，披露了龙芯处理器的技术细节。由中科院计算所授权意法半导体制造龙芯2号，故处理器上有“ST”字样。 　龙芯2E微处理器是一款实现64位MIPSⅢ指令集的通用RISC处理器，采用90nm的CMOS工艺，布线层为七层铜金属，芯片晶体管数目为4700万，芯片面积6.8mm×5.2mm，最高工作频率为1GHz，典型工作频率为800MHz，实测功耗5-7瓦。 　龙芯2E具有128KB一级缓存、512KB二级缓存，单精度峰值浮点运算速度为80亿次/秒，双精度浮点运算速度为40亿次/秒，在1GHz主频下SPEC CPU2000的实测分值达到500分，综合性能已经达到高端Pentium Ⅲ以及中低端Pentium 4处理器的水平。 MIPS即Million Instruction Per Second 的简写--计算机每秒种执行的百万指令数.是衡量计算机速度的指标. 2.4 双极型晶体管2.4 双极型晶体管双极晶体管即三极管，是集成电路的主要有源器件之一。 由两个相距很近的PN结组成，具有放大作用，即两个独立PN结有本质区别。 分为：NPN和PNP两种形式 放大原理、晶体管模型、基本模型参数基区宽度远远小于少子扩散长度1 理想化的本征结构1 理想化的本征结构 nullnull电流关系表示为矩阵形式： IES、ICS和ISS为BE、BC和SC结的饱和电流，NE、NC、NS分别为三个结的发射系数，是电流增益。 null若忽略衬底结SC的影响，则： F和R分别为正向和反向的共基电流放大系数。 双极晶体管4个区域 2.4.1 直流放大原理2.4.1 直流放大原理（1）双极晶体管结构 null双极晶体管的两种形式：NPN和PNPNPNcbenull双极晶体管的结构和版图示意图null（2）实际结构和杂质分布 null（3）偏置方式 正向放大：发射结正偏，集电结反偏 反向放大：发射结反偏，集电结正偏 截止状态：发射结反偏，集电结反偏 饱和状态：发射结正偏，集电结正偏 null（4）晶体管电路连接方式 根据公共端不同，分为三种： 共基极、共射极、共集电极 共基极有助理解晶体管放大作用的物理过程，而共发射极具有较大的放大能力，应用较广。2 直流电流传输过程2 直流电流传输过程（1）双极晶体管直流电流传输过程 发射结正偏 发射区掺杂浓度远高于基区掺杂浓度 发射极电流主要由高掺杂发射区向基注入的电子电流组成，故称发射结 null发射区向基区注入的电子远大于基区的平衡少子电子的数量，，因此在发射结的基区一侧边界就有非平衡少子的积累，形成非平衡少子电子在基区的扩散运动。扩散的电子一部分要在扩散过程中与基区的多子空穴复合。为此，基区宽度Wb必须比非平衡少子在基区的扩散长度小得多，则电子在基区的复合就很少，大部分能够扩散到集电结。 晶体管用于放大时，集电结反偏，集电结在基区一侧边界处电子浓度基本为0，基区中非平衡少子呈线性分布，基区电子扩散到边界时，立即被反偏集的强电场扫至集电区，成为集电极电流。基区非平衡少子分布null根据上述分析，在发射结正偏、集电结反偏时，晶体管内部的电流传输如图所示：2.3 NPN 晶体管的电流输运机制2.3 NPN 晶体管的电流输运机制正常工作时的载流子输运 相应的载流子分布nullNPN晶体管的电流输运 NPN晶体管的电流转换3 双极晶体管直流电流增益 3 双极晶体管直流电流增益 （1）发射效率与基区输运系数： 发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度 基区宽度尽量小，基区中非平衡少子的寿命尽量大。 注入效率 基区输运系数β* null直流电流的理论表征 第一项是发射区多数载流子电流与发射极总电流的比值，即注入效率。 第二项是离开基区的少数载流子与发射区注入到基区输运的少数载流子的比值，即输运系数β* 。 第三项是总的集电极与从基区进入集电区的电子电流之比，称为收集效率。定量分析可得：定量分析可得：要增大β* ，需使Wb远小于非平衡少子电子在基区的扩散长度Lnb。null（2）共基极直流电流增益α0 ： α0=γβ*，即共基极直流电流增益等于注入效率和基区输运系数的乘积。 非常接近于1，一般大于0.9。 （3）共射极直流电流增益β0 (4)晶体管放大电路工作原理(4)晶体管放大电路工作原理三个区域： 饱和区 放大区 截止区饱和区：两个结均为正偏 放大区：正常放大 截止区：Ib=0，集电结反偏4 提高电流增益的途径 4 提高电流增益的途径 减小发射区方块电阻，即增益发射区的掺杂浓度。 增大基区的方块电阻，即减少基区的掺杂浓度，但要适量，否则引起副作用。 减小基区宽度Wb 增大Lnb，即提高基区非平衡少子的寿命 增大λ，使基区杂质分布尽量陡峭。 2.4.2 影响晶体管直流特性的其他原因2.4.2 影响晶体管直流特性的其他原因1 基区宽变(变窄)效应和厄利电压 理想情况下晶体管输出特性曲线(图1) 基区宽变效应(厄利效应) 厄利电压2 大电流效应 2 大电流效应 （1）电流增益β0与电流的关系（图）（2）大注入效应：（2）大注入效应：注入到基区的非平衡少数载流子浓度超过平衡多数载流子的浓度。 1 形成基区自建场，起着加速少子的作用，导致电流放大系数增大。 2 基区电导调制，由于少子增加，导致多子增加，以保持电中性，使电导增加，导致发射效率γ减小，从而使电流增益β0 减小。 上述两种效应的综合结果是β0首先随工作电流的增加而增加，随着电流的进一步加大， β0随工作电流的增加而减小。（3）电流集边效应：（3）电流集边效应：由于基区横向压降，使发射区基区一侧结面上的电位不相等。因此增大最大允许工作电流的途径是增大发射结的周长。3 晶体管小电流特性3 晶体管小电流特性小电流情况下，由于空间电荷区的复合，导致β0下降。2.4.3 晶体管的击穿电压2.4.3 晶体管的击穿电压1 击穿电压 三个结击穿电压，与单个结的击穿电压基本相同 2 基区穿通 基区穿通现象：随着集电结上反向电压增加，集电结耗尽层变宽，使基区有效宽度wb减小。若尚未使集电结击穿，但由于集电结耗尽层变宽使基区有效宽度wb减小到趋于0的程度，将导致输出端电流急剧增加，与击穿现象类似。 基区穿通电压 基区穿通电压与晶体管结构的关系2.4.4 晶体管的频率特性2.4.4 晶体管的频率特性1 双极晶体管交流小信号增益 晶体管用于放大交流信号时，信号一般很小，因此采用交流小信号增益。 共基极交流小信号放大倍数α为： 共射极交流小信号放大倍数β： 2 晶体管频率特性参数2 晶体管频率特性参数(1) 频率特性 频率较低时，电流增益α和β的辐值基本为常数，等于直流小信号电流增益。 随着频率增高， α和β的幅值以(6dB/ 十倍频程)的速度下降。null(2) 截止频率f α 和f β ：使电流增益下降为低频值的 (1/2)时的频率。 (3) 特征频率：共射极电流增益β下降为1 时的频率，记为fT. (4) 最高振荡频率fM：功率增益为1时对应的频率 null3. 频率特性和结构参数的关系提高fT的途径 减小基区宽度，以减小基区的渡越时间τb 减小发射结面积Ae和集电结面积Ac，可以减小发射结和集电结势垒电容，从而减小时间常数τe和τc 减小集电区串联电阻Rc，也可以减小τc 兼顾功率和频率特性的外延晶体管结构。2.4.5 晶体管模型和模型参数2.4.5 晶体管模型和模型参数null综合考虑双极晶体管直流、交流特性和各种效应的影响，可得到描述其特性的等效电路，共涉及27个基本模型参数。nullnull5. BJT的特点优点垂直结构与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大易于获得高fT高速应用整个发射结上有电流流过可获得单位面积的大输出电流易于获得大电流大功率应用开态电压VBE与尺寸、工艺无关片间涨落小，可获得小的电压摆幅易于小信号应用模拟电路null输入电容由扩散电容决定随工作电流的减小而减小可同时在大或小的电流下工作而无需调整输入电容输入电压直接控制提供输出电流的载流子密度高跨导null缺点：存在直流输入电流，基极电流功耗大饱和区中存储电荷上升开关速度慢开态电压无法成为设计参数设计BJT的关键： 获得尽可能大的IC和尽可能小的IBnull当代BJT结构特点： 深槽隔离 多晶硅发射极2.4.6 异质结双极晶体管（HBT）2.4.6 异质结双极晶体管（HBT）HBT(Heterojunction Bipolor Transistor )是利用不同禁带宽度的化合物半导体材料构成的新型器件，其纵向结构如图。 典型npn的HBT的发射区 是化合物半导体材料n型 AlGaAs制成的，基极是 p型GaAs制成的，集电 极是用n型GaAs制成。 因此发射结为AlGaAs和 GaAs构成的异质结。null通过发射结的电子流与空穴电流之比为A为比例系数，NDe和NAb分别为发射区和基区掺杂浓度。 其具有高频特性的原因如下： 电子迁移率高，电子扩散系数也高，基区渡越时间短，fT提高。 基区串联电阻小。资 料资 料中芯国际作为全球第三大芯片代工企业，生产 的产品包括动态存储器、静态存储器、闪存存储器等。它们是各类消费电子产品，如计算机、数码相机、MP4、手机等的核心部件。 目前，除北京、上海、无锡外，武汉拥有中芯国际在大陆的第四条12英寸生产线。　 12英寸芯片生产线主要采取纳米技术。而这一技术的提供者是美国飞索公司，全球知名的三星、诺基亚等顶级企业，都是它的客户。2007年起，飞索正式成为中芯国际的战略合作伙伴，为其提供90纳米、65纳米、43纳米、32纳米等世界领先技术。 (2008.9.22)