淺談模擬IC設(shè)計(jì)師眼中的BJT

本文談一談BJT這個device、以及模擬IC設(shè)計(jì)師眼中對BJT的了解程度（只用過CMOS工藝的模擬IC設(shè)計(jì)師）。

BJT即三極管，分為PNP和NPN型，簡單示意圖如下圖所示。

NPN和PNP

以NPN為例，其剖面圖如下圖，PNP的剖面圖想必你肯定也知道了。

NPN的剖面圖

說到這里，大家是不是好奇，具體到某一種工藝中，BJT的剖面圖會是什么樣子的？

讀研三年和工作幾個月，我只用過一種工藝，那就是大家都知道的CMOS工藝。

其實(shí)，“正宗”的BJT應(yīng)該是用Bipolar工藝制造的。但是現(xiàn)實(shí)用這種工藝不多，很多年前，確實(shí)會用這種工藝，由于Bipolar工藝process繁多，價格也比CMOS工藝貴，集成度也遠(yuǎn)輸于CMOS，慢慢大家都不怎么用Bipolar工藝了。

在CMOS工藝中，BJT的制作和Bipolar不同，可以說，CMOS工藝中，不是“正宗”的BJT device，而是一種寄生的BJT。

不知道有沒有認(rèn)真的同學(xué)發(fā)現(xiàn)，你所用的單純的CMOS工藝中，只有PNP的BJT而沒有NPN的BJT？

在沒有DNW的CMOS工藝中，的確如此，且一般是縱向的寄生PNP三極管。why？

因?yàn)?，沒有DNW的工藝中，只有全局P-sub是和P+是P型半導(dǎo)體，這里P-sub充當(dāng)PNP的一個“P”，即集電極，P+充當(dāng)PNP的另一個“P”，即發(fā)射極，n-well充當(dāng)PNP的“N”，即基極，而不是Bipolar工藝真正意義上的N和P。

PS：至于為什么是縱向的而不是橫向的PNP，原因作者也布吉島啦。

這里，全局P-sub襯底永遠(yuǎn)接VSS。

CMOS工藝中的縱向寄生PNP

看到這里，知道為什么普通CMOS工藝沒有NPN了嗎？

NPN正常工作的時候，基極發(fā)射極電壓Vbe應(yīng)大于其開啟電壓，也就是說基極電位大于0，但是CMOS工藝中p-sub永遠(yuǎn)是VSS不可能大于0，因此p-sub是不能做NPN的基極的。

有同學(xué)會問了，能不能用兩個n-well做NPN的兩個“N”，用P+做NPN的“P”呢？

答案是不能。why？n-well外面的P+就是襯底接觸，也是接VSS的。

這里，建議有興趣的同學(xué)可以仔細(xì)畫一畫這些寄生BJT的剖面圖，結(jié)合CMOS工藝的特點(diǎn)進(jìn)行分析，牢記BJT中遵循發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏的原理，看看在CMOS工藝中能否實(shí)現(xiàn)。

那么CMOS工藝中，就不能有PNP device了嗎？肯定不是。

在有DNW的CMOS工藝中或者有雙P-well的CMOS中，是可以有寄生的NPN的。

在DNW工藝中，DNW本身就是用來制造隔離的NMOS，DNW的存在使得NMOS的P襯底是”本地“的，即可以不接到全局p-sub上，因此就有了NPN中的基極"P"。

而在擁有雙P-well的CMOS的工藝中，多出來的P-well充當(dāng)NPN的基極"P"，如下圖：

淺阱NPN的剖面圖

但是，雙P-well，相比傳統(tǒng)CMOS，多了一層淺P阱mask，增加了成本。

在CMOS工藝中，縱向寄生PNP的β值不會很大，一般不會超過10，具體數(shù)據(jù)可查看PDK中關(guān)于Bipolar的擬合數(shù)據(jù)。為什么β很小，我們知道，基區(qū)的厚度越大，β越小。在CMOS工藝中，也就是n-well的厚度，是較大的，因此β會很小，然而這個厚度是我們designer不可控的，是由foundry決定的。

到現(xiàn)在為止，作為模擬IC設(shè)計(jì)師，我只在bandgap中用過BJT，而且用的也不是其對基極電流的放大作用，而是兩個BJT的Vbe差值與溫度成正比這個特性，如下圖。

PTAT電壓產(chǎn)生電路

mentor說，在ESD電路中，基本都是二極管和MOS，BJT幾乎不用。

因此，到現(xiàn)在為止，我對BJT的了解可以說很少，不多，但知道BJT的工作原理，足夠在CMOS工藝中進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，畢竟latch up效應(yīng)或者ESD中的GGNMOS和GGPMOS用到的寄生BJT的特性。

BJT除了集成度差于MOS、功耗大于MOS，也有很多優(yōu)點(diǎn)，比如能夠驅(qū)動大電流，具體參考以下鏈接：

https://blog.csdn.net/vzhenyi/article/details/48929977