1、組別：志賢隊組員：李嘉雄謝帆斌劉志賢王業許純鍇（組長）2019 年 7 月 24 日星期三高頻功率晶體管設計雙極型晶體管（ BipolarTransistor）由兩個背靠背PN 結構成的具有電流放大作用的晶體三極管。起源于1948年發明的點接觸晶體三極管，50年代初發展成結型三極管即現在所稱的雙極型晶體管。雙極型晶體管有兩種基本結構：PNP 型和 NPN 型。在這 3 層半導體中，中間一層稱基區，外側兩層分別稱發射區和集電區。當基區注入少量電流時，在發射區和集電區之間就會形成較大的電流，這就是晶體管的放大效應。雙極型晶體管是一種電流控制器件，電子和空穴同時參與導電。同場效應晶體管相比，雙極型晶

2、體管開關速度快，但輸入阻抗小，功耗大。雙極型晶體管體積小、重量輕、耗電少、壽命長、可靠性高，已廣泛用于廣播、電視、通信、雷達、計算機、自控裝置、電子儀器、家用電器等領域，起放大、振蕩、開關等作用。這里設計的高頻大功率晶體管將用于甲類放大,其設計指標如下 :放大倍數 Au工作頻率 Ff功率增益效率 efficiency輸出功率功耗非線性失真系數THD （ Total harmonic distortion ）-( 由于功率管的非線性和大信號的運用，易產生非線性失真，要考慮）雙極型晶體管極限參數一：一般考慮在共發射極甲類運用時,根據圖 4-1,晶體管的集電極與發射極之間應當能承受的電壓峰值為2vc

3、c，故根據式Ic=Vce/RL,最大集電極工作電流為Ic=2Vcc/RL根據式Pc=Ic2*RL,最大耗散功率為Pcm 主要與熱阻區面積 Ab ，芯片厚度t 有關。效率最大理論值為50% ，但由于效率小于50% ，輸出信號功率Po, 熱量的耗散功率為RT 有關，而熱阻又與基vces,Iceo的存在，實際最大耗散功率晶體管的最高結溫為增加 5倍。Tjm=150200攝氏度；當Tjm由200 降到150 時，平均失效時間可最大集電極耗散功率最大集電極電流ICM:使 b 下降到正常值的時的集電極電流稱之為集電極最大允許電流。極間反向擊穿電壓：晶體管的某一電極開路時，另外兩個電極間所允許加的最高反向電

4、壓即為極間反向擊穿電壓，超過此值的管子會發生擊穿現象。溫度升高時，擊穿電壓要下降。是發射極開路時集電極- 基極間的反向擊穿電壓，這是集電結所允許加的最高反向電壓。是基極開路時集電極-發射極間的反向擊穿電壓，此時集電結承受的反向電壓。是集電極開路時發射極- 基極間的反向擊穿電壓，這是發射結所允許加的最高反向電壓。溫度對晶體管的影響：是集電結加反向電壓時平衡少子的漂移運動形成的，當溫度升高時，熱運動加劇，更多的價電子有足夠的能量掙脫共價鍵的束縛，從而使少子的濃度明顯增大，ICBO增大溫度對輸入特性的影響：溫度升高，正向特性將左移。溫度對輸出特性的影響：溫度升高時增大。當工作頻率 f=2GHz 時

5、,要獲得功率增益 Kp=10dB, 則特征頻率 ft 應該選得稍高一些。如選取 ft=3.6GHz, 但頻率不能無限制增大，有可能會造成線性失真，導致功率減小。晶體管對 Cob,rbb,Re 和 Le 的要求也是很高的。為此可考慮采取以下措施。（1）采用砷硼以離子注入工藝，以獲得較小的基極電阻rbb,和較小的基區寬度 Wb.（2）采用 1um 精度的光刻工藝，以獲得較小的發射區寬度Se，從而降低 rbb,和各勢壘電容.（3）其區硼離子注入劑量不宜過低,以降低 rbb,并保證基區不到在工作電壓下發生穿通.（ 4） 采用多子器件結構 ,將整個器件分為四個子器件 ,每個子器件 的輸出功率為 0.25

6、W,最大集電極工作電流 為 0.5A, 熱阻為 200C/W. 這種考慮有利于整個芯片內各點的結溫均勻化 ,從而可降低對鎮流電阻Re 的要求 ,因此可以選取較小的Re 以提高 Kp.（ 5） 對部分無基區進行重摻雜而形成濃硼區,這樣可以減小 rbb,同時還可因為濃硼區的結深較深而提高集電結擊穿電壓 .（6）由于輸出功率并不太大,流經發射區金屬電極條的電流也不大,考慮到梳狀結構發射區的有效利用面積較覆蓋結構的大,故在設計方案采用梳狀結構,這樣可以因結面積的減小而合各勢壘電容變小.特征頻率：由于晶體管中PN 結結電容的存在，晶體管的交流電流放大系數會隨工作頻率的升高而下降，當的數值下降到1 時的信

7、號頻率稱為特征頻率。共射級輸入特性曲線：描述了在管壓降UCE 一定的情況下，基極電流iB 與發射結壓降uBE 之間的關系稱為輸入伏安特性，可表示為：硅管的開啟電壓約為0.7V ，鍺管的開啟電壓約為0.3V 。共射級輸出特性曲線：描述基極電流IB 為一常量時，集電極電流iC 與管壓降uCE 之間的函數關系。可表示為：雙擊型晶體管輸出特性可分為三個區截止區：發射結和集電結均為反向偏置。IE0 ， IC0 ， UCEEC，管子失去放大能力。如果把三極管當作一個開關，這個狀態相當于斷開狀態。飽和區：發射結和集電結均為正向偏置。在飽和區IC 不受 IB 的控制，管子失去放大作用，UCE0 ， IC=EC

8、 RC ，把三極管當作一個開關，這時開關處于閉合狀態。放大區：發射結正偏，集電結反偏。放大區的特點是： IC 受 IB 的控制，與UCE 的大小幾乎無關。因此三極管是一個受電流IB 控制的電流源。特性曲線平坦部分之間的間隔大小，反映基極電流IB 對集電極電流IC 控制能力的大小，間隔越大表示管子電流放大系數b 越大。伏安特性最低的那條線為IB=0 ，表示基極開路，IC 很小，此時的IC 就是穿透電流 ICEO 。在放大區電流電壓關系為：UCE=EC-ICRC,IC=IB在放大區管子可等效為一個可變直流電阻。極間反向電流：是少數載流子漂移運動的結果。集電極基極反向飽和電流ICBO：是集電結的反向

9、電流。集電極發射極反向飽和電流ICEO：它是穿透電流。ICEO與 ICBO的關系：I CBOI CEO(1) ICBO1二縱向結構參數的選取1. 集電區外延材料電阻率的選取BVCEOBVCBOn1根據式,得 BVceo=40V, 取 b=40,則 BVcbo=100V .近似認為集電結為單邊突變結, 根據式 .,在要求 BVcbo=100V 時,求得.相當于 . .2.基區寬度 Wb 的選取在選定特征頻率Ft=3.6GHz, 就要求.在微波范圍內 ,這個頻率不算太高 ,這時各時間常婁中占主要地位的是. 和 .當 Vce=20V 時 ,集電結耗盡區寬度 .,并取得 .可見rd 已接近于rec 的

10、 1/3.若選取.3. 集電結結深 Xjc 發射結結深 Xje 及雜質濃度的選取采用砷硼雙離子注入工藝不考慮發射區陷落效應.根據常規 ,在基區寬度Wb 不太小時 ,可取 Xje/Wb=1, 即選取 Xje 為 0.25um,Xjc 為 0.5um.這樣已夠避開外延層的表面損傷層.為了滿足 Xjc=0.5um, 選取基區的硼離子注入能量E1=60keV,注入劑量.由式,得注入硼的最大濃度為Nmb=4.25 x 1018cm-3。由式,得集電結結深為Xjc=0.51um，于是得發射結結深為Xje=0.26um。.由式,得發射結處的雜質濃度梯度為aje=1.83 x 1023cm-4再由式,得基區平

11、均雜質濃度為=1.16 x 1018cm-3 。發射區正下方的有源基區方塊電阻為取射區空空遷移率Up=120cm2/Vs。 Rb1=1.76 x 103歐。發射區與濃硼區之間的無源基區方塊電阻為式中,對于濃硼區的集電結結深Xjc, 可初步選取為1um 左右 .當濃硼的注入能量為注入劑量為Nb3=2 x 1015cm-2時，其方塊電阻為Rb3=5 歐 。E3=140KeV ,對于發射區 ,砷注入的表面濃度NES=5 x 1020cm-3 。4. 外延厚度的選取根據式.,外延層厚度W 外應滿足當 Vbc=BVcbo=100V 時 ,濃硼區集電結的耗盡區寬度為.考慮到,故應選取W 外=8um綜上所述

12、 ,縱向結構設計得到的參數如下:淡硼基區結深x jc =0.51 mx發射結外的雜質濃度梯度a je =1.83 ×1023 cm-4基區寬度 W B =0.25 m淡硼基區硼離子注入能量 E1 =60keV13淡硼基區硼離子注入劑量N B1 =8× 10 cm-2有源基區方塊電阻RB1 =1.76 × 103無源基區方塊電阻RB2 =1.3× 103砷離子注入發射區表面濃度N ES =5 × 1020 cm 2濃硼區結深x jc =1m濃硼區硼離子注入能量E3 =140keV濃硼區硼離子注入劑量N B 3 =2× 1015 cm 2

13、濃硼區方塊電阻R B3 =5外延層雜質濃度N C =5 × 1015 cm 3外延層電阻率 C=1 · cm襯底電阻率 襯 =0.01 · cm三橫向結構參數的選取1. 發射區寬度 Se,長度 Le,和條數 n 的選取根據式 .,大電流時的發射區有效半寬度為y0=0.278um式中 ,取 Un=320cm2/V .s ， Up=120cm2/V .s 。由于發射區寬度Se應稍大于 2yo, 并考慮到光刻精度為1um,故選取 Se=1um.應該指出的是,盡管采用了離子注入工藝 ,仍會有一定的雜質橫向擴散 ,使實際得到的發射區寬度 Se 略大于光該掩膜版上的發射區寬度

14、 .下面的選取濃硼區寬度 Sb 時也有這個問題 .在設計掩膜版時必須考慮到這個因素.發射極金屬電極條的寬度Dm 應略大于發射擊區寬度Se,可取 Dm=1.5um. 根據 3.7.3 節給出的確定發射極金屬電極長度Lm=26um, 于是可選取發射區長度Le=25um.在確定 Se=1um 和 Le=25um 后 ,可算出每一單元發射區的周長.如果知道了發射區總周長Le,將其除以單元發射區的周長Le,就可得到單元發射區的數目n .根據式 (3-180), 發射區總周長為Le=Icmax/io. 式中的 Io 代表發射區單位周長的電流容量,可由式 (3-184) 求出 ,既.對于 Ft=3.6GHz

15、 的微波功率晶體管,由于基區寬度Wb 很窄 ,大電流下 b 和 Ft 的下降是由于基區擴展效應,因此最大電流密度Jcmax 應以下不發生基區擴展為標準,由式 .得利用上式的Jcmax 數值和已經選取的可算得.當 F=4002000MHz時 ,io 的經驗數據為0.40.8A/cm, 稍加一定的佘量后可初步選取Le=0.36cm. 最后可得單元發射區的數目為.將 72 個單元發射區分成四組,每組為一個子器件,每一個子器件有n=n/4=18 條發射2子器件基區面積(即集電結面積)的選取根據上面已經選取的單元發射區的寬度Se,長度 Le 和每一個子器件中器件中單元2發射區的數目n,可以得到每一子器件

16、的發射擊區面積為基區面積 Ab 的上限由晶休管的頻率特性決定,而下限則由所要求的熱阻Rt 決定 .現選取濃硼區寬度為Sb=22um,發射區與濃硼區間距離為d=1um,發射區金屬化電極條寬為1.5um,基極金屬化電極條寬為1.0um,所構成的梳狀結構的子器件如圖 4-19 所示 .子器件的基區寬度為單元發射區長度Le=25um 加上兩端的間距,即 28um.子器件的基區長度為子器件中 18 個單元發射區寬度 Se=1um,19 個濃硼區寬度 Sb=2um 和 38 個間距 d=1um 之和 ,為 95um. 因此 .子器件的基區面積 Ab( 即集電區面積 Ac) 為 Ab=28*95=2660u

17、m2雖然現在還不能判斷上述 Ab 是否滿足頻率的要求 ,但可以先核對這一部分熱阻 .對每一子器件來說 ,熱源 (即集電結 )的 D/c-3, 硅片厚度 F 選為 200um,在 A/B 外所對應的縱坐標為(RtkCD/F)=0.12, 故得子器件的硅片熱阻為.由于 4 個子器件的并聯的,所以整個晶體管的硅片熱阻約為27 度 /W.對整個晶體管熱阻的設計要求是小于 50 度 /W.可以 看到 ,當取 Ab=2660um 平均時 ,晶體管的硅片熱阻比設計要求的熱阻小得多 ,所以該 ,所以該 Ab 是滿足熱阻的要求的 .3鎮流電阻的選取根據式 . 可確定每個單元發射極上的鎮流電阻Rei.因為已經采用

18、了多子器件結構,且熱阻有較大的祭量,所以對鎮流電阻的要求可以降低些,故可取選取鎳鉻薄膜作為鎮流電阻材料,選取其.鎮 Dmr 就是發射極金屬化電極條的寬度Dm, 即1.5um, 由式 (4-25b) 可得鎮壓流電阻的長度Lmr為18um. 子器件的鎮流電阻Re為.綜上所述 ,橫向設計得到的參數如下:單元發射區寬度Se=1um單元發射區長度Le=25um子器件聽發射區數目n=18濃硼區寬度Sb=2um發射區與濃硼區間距D=1um子器件的發射區面積Ae=450um 平方子器件的基區面積Ab=450um 平方發射極金屬化電極條寬度Dm=1.5um基極金屬化電極條寬度Db=1.0um連接各子器件發射極的

19、內部金屬化條寬度=15um連接各子器件基極的內部金屬化條寬度=4.5發射擊極延伸電極直徑60um基極延伸電極直徑24um四主要參數的核算下面根據初步選定的縱向結構參數和橫向結構參數對子器件的Fr 和 Kp 進行核對，以檢驗上述設計是否滿足要求。1 特征頻率 FT包括各寄生參數和發射極鎮流電阻的作用在內的特征頻率FT 可表示為1FT =2eebbcbbdcc.分母中增加的te 代表集電阻電容經發射極鎮流電阻的充，放電時間常數。下面來逐項計算上式分母中的各個時間常數.(1)根據式.發射區延遲時間.式中 ,De 取 2cm 平方 /S.(2)根據式 .,發射結勢壘電容 Cte 的充 ,放電時間常數T

20、eb 為 . .式中 ,Ie 代表子器件的工作點電流,其值為子器件最大電流的一半,或 Icmax=0.2A=1/8, 即Ie=25mA. 發射結外于正偏 ,其勢壘電容 Cte 可表示為式中 ,代表零偏時的單位面積發射結勢壘電容,即.將發射結外的雜質濃度梯度. .和室溫下的.代入,可求得Vg=0.81V,再將已經確定的子器件發射區面積和子器件工作點電流Ie=25ma 代入 Teb,得(3)根據式, 集 電 極 電 容 Cob經 基 區 的 充 , 放 電 時 間 性 常 數 Tbc為.式中 ,集電極電容Cob為集電結勢壘電容Ctc ,adse 延伸電極的 MOS 電容Cbc(pad)和管殼電容之和 .有源基區下方的集電區寬度為.由于在熱氧化為.于是可求得了子器件的Ctc 為.整個晶體管的延伸電極和內部基極電極金屬化連線的總面積Apad 為取氧化層厚