CMOS工艺下的BJT你了解多少？

有没有同学好奇，作为模拟芯片设计师，几乎都在用CMOS工艺，大部分电路也是用的MOSFET，很少用BJT去设计大规模电路，那么，到底应该对BJT这种device掌握到什么level呢？

其实我也不能下定论，我就说说我的掌握程度吧。

当然BJT基本的工作原理肯定要掌握的。

本文谈一谈BJT这个device、以及模拟IC设计师眼中对BJT的了解程度（只用过CMOS工艺的模拟IC设计师）。

BJT即三极管，分为PNP和NPN型，简单示意图如下图所示。

NPN和PNP

以NPN为例，其剖面图如下图，PNP的剖面图想必你肯定也知道了。

NPN的剖面图

说到这里，大家是不是好奇，具体到某一种工艺中，BJT的剖面图会是什么样子的？

读研三年和工作几个月，我只用过一种工艺，那就是大家都知道的CMOS工艺。

其实，“正宗”的BJT应该是用Bipolar工艺制造的。但是现实用这种工艺不多，很多年前，确实会用这种工艺，由于Bipolar工艺process繁多，价格也比CMOS工艺贵，集成度也远输于CMOS，慢慢大家都不怎么用Bipolar工艺了。

在CMOS工艺中，BJT的制作和Bipolar不同，可以说，CMOS工艺中，不是“正宗”的BJT device，而是一种寄生的BJT。

不知道有没有认真的同学发现，你所用的单纯的CMOS工艺中，只有PNP的BJT而没有NPN的BJT？

在没有DNW的CMOS工艺中，的确如此，且一般是纵向的寄生PNP三极管。why？

因为，没有DNW的工艺中，只有全局P-sub是和P+是P型半导体，这里P-sub充当PNP的一个“P”，即集电极，P+充当PNP的另一个“P”，即发射极，n-well充当PNP的“N”，即基极，而不是Bipolar工艺真正意义上的N和P。

PS：至于为什么是纵向的而不是横向的PNP，原因作者也布吉岛啦。

这里，全局P-sub衬底永远接VSS。

CMOS工艺中的纵向寄生PNP

看到这里，知道为什么普通CMOS工艺没有NPN了吗？

NPN正常工作的时候，基极发射极电压Vbe应大于其开启电压，也就是说基极电位大于0，但是CMOS工艺中p-sub永远是VSS不可能大于0，因此p-sub是不能做NPN的基极的。

有同学会问了，能不能用两个n-well做NPN的两个“N”，用P+做NPN的“P”呢？

答案是不能。why？n-well外面的P+就是衬底接触，也是接VSS的。

这里，建议有兴趣的同学可以仔细画一画这些寄生BJT的剖面图，结合CMOS工艺的特点进行分析，牢记BJT中遵循发射结正偏，集电结反偏的原理，看看在CMOS工艺中能否实现。

那么CMOS工艺中，就不能有PNP device了吗？肯定不是。

在有DNW的CMOS工艺中或者有双P-well的CMOS中，是可以有寄生的NPN的。

在DNW工艺中，DNW本身就是用来制造隔离的NMOS，DNW的存在使得NMOS的P衬底是”本地“的，即可以不接到全局p-sub上，因此就有了NPN中的基极"P"。

而在拥有双P-well的CMOS的工艺中，多出来的P-well充当NPN的基极"P"，如下图：

浅阱NPN的剖面图

但是，双P-well，相比传统CMOS，多了一层浅P阱mask，增加了成本。

在CMOS工艺中，纵向寄生PNP的β值不会很大，一般不会超过10，具体数据可查看PDK中关于Bipolar的拟合数据。为什么β很小，我们知道，基区的厚度越大，β越小。在CMOS工艺中，也就是n-well的厚度，是较大的，因此β会很小，然而这个厚度是我们designer不可控的，是由foundry决定的。

到现在为止，作为模拟IC设计师，我只在bandgap中用过BJT，而且用的也不是其对基极电流的放大作用，而是两个BJT的Vbe差值与温度成正比这个特性，如下图。

PTAT电压产生电路

mentor说，在ESD电路中，基本都是二极管和MOS，BJT几乎不用。

因此，到现在为止，我对BJT的了解可以说很少，不多，但知道BJT的工作原理，足够在CMOS工艺中进行电路设计，毕竟latch up效应或者ESD中的GGNMOS和GGPMOS用到的寄生BJT的特性。