但是由于集电区的掺杂浓度低，因此其发射效率低， 很小（约0.02）。
R
C
N
P
E N
2020/6/30 15
B
反向工作区
2.2双极集成晶体管的结构与制造工艺
1. 二极管 （PN结）
电路符号： +
-
有电流流过
没有电流流过
对于硅二极管，正方向的 电位差与流过的电流大小 无关，始终保持0.6V-0.7V
I
2020/6/30 7
放大状态下BJT的工作原理
正常放大时外加偏 置电压的要求
发射区向基区注入载流子 集电区从基区接受载流子
2020/6/30 8
发射结应加正向电压 （正向偏置）
集电结应加反向电压 （反向偏置）
三极管内载流子的传输过程
三极管2内3.电.另集有子1外电两.在发,区种基基射收载区区区集流集中向扩子电的基散参区扩区过与本散注来导身与入的电存复电电，在合子子故的（（（称少IIBIE此子CNN）、种，）I三EP极小管）
2020/6/30 5
双极集成电路中元件结构 双极集成电路的基本工艺
2020/6/30 6
2.1双极晶体管的单管结构及工作原理
• 双极器件：两种载流子（电子和空穴）同时参与导电
发
发
集
集
射
发射区 射 基区 电
集电区
电
极
N+
结P 结
N
极
C
BE
基极
N+
p n
结构特点：1. 发射区掺杂浓度最大，基区次之，集电极最小 2.基区宽度很窄
反方向
V
正方向
+
P-Si N-Si
-
2020/6/30 16
二极管 （PN结）平面工艺
p n
2020/6/30 17
2. 双极型 晶体管
B端
B端
E端
npn
C端 E端
pnp
C端
B
B
E
C
B
E
C
B
E
NPN
C
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E
PNP
C
B
E
C
B
?
E
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
NPN
C
C
BE
N+
p n
2020/6/30 19
发射区 (N+型)
基区(P 型) EB
集电区 (N型外延层)
C
S
P+
n+
p
n+
P+
n-epi
n+-BL
P-Si
四层三结结构的双极晶体管
衬底(P型)
2020/6/30 22
双极集成电路元件断面图
EB
C
S
P+
等效电路
n+
p
n+-BL
n+
P+
n-epi
P-Si
衬底接最低电位
E(n+)
B(p) pnp
npn C(n)
C
BE
3 双极集成电路中元件的隔离
B
B
E
CE
C
C
BE
C
n
p
n
n
B
B
C E
BE
n p
E
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C
B
np
E
n
C
B
np
E
n
介质隔离
PN结隔离
EB
CSC
BE
P+ n+
p
n+
n
P+
n+
n
p
n+ P+
n+
n+
P-Si
2020/6/30 21
双极集成电路中元件的隔离
4 双极集成电路元件的形成过程、结构和寄生效应
S(p)
隐埋层作用：1. 减小寄生pnp管的影响 2. 减小集电极串联电阻
2020/6/30 23
双极集成电路等效电路
• 1:衬底选择
确定衬底材料类型 确定衬底材料电阻率 确定衬底材料晶向
P型硅(p-Si) ρ≈10Ω.cm （111）偏离2~50
E
B
C
S
P+
n+
p
n+
P+
n-epi
n+-BL
P-Si
2020/6/30 24
典型PN结隔离双极集成电路中元件的形成过程
• 2:第一次光刻----N+隐埋层扩散孔光刻
EB
CS
P+
n+
p
n+ P+
n-epi
n+-BL
P-Si
N+隐埋层
P-Si衬底
2020/6/30 25
典型PN结隔离双极集成电路中元件的形成过程
集成度、工作频率、电源电压、特征尺寸、硅片直径
2020/6/30 2
2020/6/30 3
第2章
双极集成电路中的元件形成 及其寄生效应
2020/6/30 4
• 双极集成电路的基本制造工艺
–双极集成电路中的元件结构 –双极集成电路的基本工艺
• 理想本征双极晶体管的埃伯斯-莫尔 模型
• 双极集成电路中的有源寄生效应
• 发射结正偏，发射极发射电子，在基区中扩散前进
，大部分被集电极反偏结收集：
接近于1）
IcIeIcb oIe (
• 具有电流放大作用： Ic Ib
2020/6/30 13
E
N
P
C N
B
当发射结正偏（VBE>0)，集电结也正偏（VBC>0)时(但注意，VCE仍
大于0)，为饱和工作区。
1. 发射结正偏，向基区注入电子，集电结也正偏，也向基区注入电 子（远小于发射区注入的电子浓度），基区电荷明显增加（存在 少子存储效应），从发射极到集电极仍存在电子扩散电流，但明 显下降。
2.不再存在象正向工作区一样的电流放大作用，即
Ic Ib 不再成立。
3. 对应饱和条件的VCE值，称为饱和电压VCES，其值约为0.3V，深 饱和时VCES达0.1～0.2V。
2020/6/30 14
当发射结反偏（VBE<0),集电结也反偏（VBC<0) 时，为截止区。
当VBC>0 ， VBE<0时，为反向工作区。工作原理类似于正向工作区，
第二章双极集成电路中的元件形 成及寄生效应汇编
内容概述
双极型集成电路
集
按器件类型分 BiCMOS集成电路
成
MOS集成电路
电
SSI（100以下个等效门）
路
按集成度分
MSI（<103个等效门） LSI （<104个等效门）
VLSI（>104个以上等效门）
模拟集成电路
按信号类型分 数模混合集成电路
数字集成电路
整理得：IC
1IB
1
1ICB
O
设 1
且令 ICEO= (1+ ) ICBO （穿透电流）
则IC IBICEO 当 ICI CE时 O IC ， IB
是另一个电流放大系数。同样，它也只与管
子的结构尺寸和掺杂浓度有关，与外加电压无关。
12 一般 2020/6/30 >> 1 。
正向工作区
为202在双0/6/集3极0 电型结三上极存管在，漂记移为运BJ动T ，(Bip由ola此r J形unc成tio电n Tr流ansIiCsBtoOr)
9
发射区：发射载流子 集电区：收集载流子 基区：传送和控制载流子
2020/6/30 10
放大状态下BJT中载流子的传输过程
电流分配关系
根据传输过程可知 IE=IB+ IC IC= INC+ ICBO
设
传输到集电极的电流
发射极注入电流
即 INC IE
所以 IC= IE+ ICBO
通常 IC >> ICBO
则有 IC IE
为电流放大系数。它只与管
子的结构尺寸和掺杂浓度有关，
与外加电压无关。一般 =
0.90.99 。
2020/6/30 11
放大状态下BJT中载流子的传输过程
又：把 IE=IB+ IC 代入 IC= IE+ ICBO