双极型晶体管非理想效应的Gummel—Poon模型分析及其在IC中的应用.pdfVIP

《自动化与仪器仪表)2oa3年第1期(总第165期) 双极型晶体管非理想效应的Gummel—Poon模型分析 及其在Ic中的应用 朱世欣 ，王贵锋 (兰州理工大学技术工程学院 兰州，730050) 摘 要：主要研究双极结型晶体管BJT(Bipolar Junction Transistor)的Gummel—Poon模型在集成电路设计中的应 用。用Gummel—Poon模型对BJT的一些非理想效应进行定量分析，包括基区非均匀掺杂，基区宽度调制效应，大注入效应， 产生一复合作用等。从BJT的基本电流用方程出发，用Gummel-Poon建立起器件性能与材料、结构和工艺参数之间的联 系。分析基区多数载流子电荷的作用，建立起器件性能与基区多数载流子电荷的联系。论文中将该模型与现代BJT的典 型结构参数和工艺参数结合起来，应用于现代BJT的理论分析之中，通过具体计算给出了应用实例。 关键词：双极型晶体管；Gummel—Poon模型；基区Gummel数；大注入；自建电场 Abstract：Non-ideal effects of bipolar iunction transistor(BJT)in integrated circuit were analyzed in depth based on Gum． mel—Poon model in this P叩eL The non-ideal effects of BJT in IC，such as base width modulmion，high injection，non．uniformly base doping，generation—recombination effects，were quantitatively analyzed by using Gummel—Poon mode1．The performan ces of BJT are connected with material，geometrical structure and technological parameters based on Gummel·Poon mode1．The rela． tionship between electrical performances and majority carrier charge distribution in base region was established to analyze non- ideal physical efects．Gummel—Poon model was combined with typical structural an d technological parameters of modem bipo— lar transistor,and applied in theoretical analysis of modem bipolar tran sistor in this paper．Finally,a practical application exalil- pie is represented． Key words：Bipolar transistor；Gummel—Poon model；Hi曲 injection；Base Gummel number；Built—in field 中图分类号：TP216 文献标识码：B 文章编号：1001—9227(2013)一Ol一0101—04 0 引 言 随着微 电子技术 的迅速发展，大规模集成 电路的特征尺寸 越来越小，三维器件物理效应明显。因此对小尺寸器件中表现 出的各种物理效应也需要作深入的理论分析。尽管Ebers—Moll 模型为电路设计提供了参数，但是该模型中没有考虑小尺寸双 极晶体管(BJT)的非理性效应 。实际上，利用现代制造技术制作 的小尺寸BJT中的许多二级效应是不能忽略的，且在很多情况 下这些物理效应往往对器件的特性带来决定性的影响。本文以 Gummel-Poon模型为基础，利用典型的结构参数和工艺参数， 分析了BJT的各项电学参数，给出了器件 电性能对结构和工艺 参数的依赖关系。 1 基区非均匀掺杂 1．1 基区非均匀掺杂的形成 图1给 出了一个典型的、由离子注入形成的基区不均匀掺 杂的情形。净杂质浓度 【N(x )=Nd x )一N (xn)]在其中的分布具有高 度的不均匀性，沿发射结一集电结方向变化很大(减小)。这种净 杂质浓度的不均匀分布近似于一个高斯分布，通常为简便起见， 将其作为一个指数函数来处理，如图1fb1所示。 收稿 日期：2012-1卜1 5 作者简介：朱世欣(1 971-)，男，高级工程师；从事自动化工 程领域的科研与教学