晶体管设计-2013-.

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1、课程设计及设计性试验课程设计及设计性试验 晶体管设计晶体管设计 一、引言一、引言 二、晶体管设计二、晶体管设计 （一）晶体管特性概述（一）晶体管特性概述 进行晶体管设计，是对晶体管基本理论的一次综进行晶体管设计，是对晶体管基本理论的一次综 合运用过程，是理论结合实践的一个重要部分。但前合运用过程，是理论结合实践的一个重要部分。但前 面所学的基本理论只能反映晶体管内部的基本规律，面所学的基本理论只能反映晶体管内部的基本规律， 而且这些规律性往往是在忽略很多次要因素的情况下而且这些规律性往往是在忽略很多次要因素的情况下 得到的，特别对工艺因素的影响基本上没有考虑进去得到的，特别对工艺因素的影响基本

2、上没有考虑进去 。因此，设计过程中必须注意引入从生产实践中总结。因此，设计过程中必须注意引入从生产实践中总结 出的经验数据。同时要边设计，边试制，经过多次反出的经验数据。同时要边设计，边试制，经过多次反 复，将存在的主要问题反映出来，然后再进行综合分复，将存在的主要问题反映出来，然后再进行综合分 析和调整，最后提出比较切实可行的设计方案。析和调整，最后提出比较切实可行的设计方案。 （二）各个物理、几何参数对器件特性的影响（二）各个物理、几何参数对器件特性的影响 双极晶体管的主要电学参数可分为直流参数、交流参数双极晶体管的主要电学参数可分为直流参数、交流参数 和极限参数三大类。和极限参数三大类。

3、 1 1、直流参数、直流参数 （1 1）共射电流放大系数）共射电流放大系数 ：主要与：主要与WW b b 、N N B B （基区平均杂（基区平均杂 质浓度）、质浓度）、N N E E （发射区平均杂质浓度）有关；（发射区平均杂质浓度）有关； （2 2）反向饱和电流）反向饱和电流I ICBO CBO、 、I ICEO CEO、 、I IEBO EBO：主要由寿命 ：主要由寿命 ，空，空 间电荷区宽度间电荷区宽度x xm m（ （N N）决定；）决定； （3 3）饱和压降）饱和压降V VCES CES：主要与 ：主要与r r b b （WW b b 、N N B B ）和）和r rCS CS（

4、（N N C C 、 WW C C 、A A C C ）有关；）有关； （4 4）输入正向压降）输入正向压降V VBES BES：主要与 ：主要与r r b b （WW b b 、N N B B 、）有关、）有关 。 2 2交流参数交流参数 （1 1）特征频率）特征频率f f T T ：由传输延迟时间：由传输延迟时间 eC eC决定， 决定， e e （ A Ae e 、N N E E ）、）、 b b （WW b b 、N N B B ）、）、 c c （A A c c 、N N C C ）和）和 d d （N N C C ）；）； （2 2）功率增益）功率增益GG P P ：主要由：主要由

5、f f T T 、C C c c （A A C C 、A Apad pad）和 ）和r r b b （WW b b 、N N B B ）决定；）决定； （3 3）开关时间）开关时间t ton on和 和t toff off：主要与 ：主要与A A e e 、A A C C 、基区和集、基区和集 电区少子寿命电区少子寿命 和集电区厚度和集电区厚度WW C C 有关；有关； （4 4）噪声系数）噪声系数N N F F ：N N F F 主要由主要由r r b b 和和f f T T 决定。决定。 3 3极限参数极限参数 （1 1）击穿电压）击穿电压BVBVCEO CEO、 、BVBVCBO CBO

6、、 、BVBVEBO EBO： ：BVBVCBO CBO主要由 主要由 N NC C 、WW C C 和和x xjC jC决定， 决定，BVBVEBO EBO主要由发射结侧壁基区表面浓度 主要由发射结侧壁基区表面浓度 决定；决定； （2 2）集电极最大电流）集电极最大电流I Icm cm：与发射极总周长 ：与发射极总周长L L E E 、集电区、集电区 杂质浓度杂质浓度N N C C 有关；有关； （3 3）最大耗散功率）最大耗散功率P Pcm cm：主要与热阻 ：主要与热阻R R T T （基区面积（基区面积A A b b 、芯片厚度、芯片厚度t t）有关；）有关； （4 4）二次击穿耐量）

7、二次击穿耐量E ESB SB：主要与 ：主要与N N C C 、WW C C 和镇流电阻和镇流电阻R R E E 有关。有关。 晶体管的各电学参量之间是相互有关的，而且电学参晶体管的各电学参量之间是相互有关的，而且电学参 数随结构参数的变化关系也相当复杂，甚至出现相互矛盾。数随结构参数的变化关系也相当复杂，甚至出现相互矛盾。 （三）晶体管设计的基本原则（三）晶体管设计的基本原则 尽管双极晶体管的电学参数很多，但对于一种类型尽管双极晶体管的电学参数很多，但对于一种类型 的晶体管，其主要电学参数却只有几个。如对于高频大功的晶体管，其主要电学参数却只有几个。如对于高频大功 率管，主要的电学参数是率管

8、，主要的电学参数是GG P P 、f f T T 、BVBVCBO CBO、 、P Pcm cm和 和I Icm cm等； 等； 而高速开关管的主要电学参数则是而高速开关管的主要电学参数则是t ton on、 、t toff off、 、V VCES CES和 和V VBES BES 。 1 1必须权衡各电学参数间的关系，正确处理各参数间的必须权衡各电学参数间的关系，正确处理各参数间的 矛盾。此外要找出器件的主要电学参数，根据主要电学参矛盾。此外要找出器件的主要电学参数，根据主要电学参 数指标进行设计，然后再根据生产实践中取得的经验进行数指标进行设计，然后再根据生产实践中取得的经验进行 适当调

9、整，以满足其它电学参数的要求。适当调整，以满足其它电学参数的要求。 2 2任何一个好的设计方案都比须通过合适的工艺才能实任何一个好的设计方案都比须通过合适的工艺才能实 现。因此，在设计中必须正确处理设计指标和工艺条件之现。因此，在设计中必须正确处理设计指标和工艺条件之 间的矛盾。设计前必须了解工艺水平和设备精度，结合工间的矛盾。设计前必须了解工艺水平和设备精度，结合工 艺水平进行合理设计。艺水平进行合理设计。 3 3正确处理技术指标和经济指标间的关系。设计中既要正确处理技术指标和经济指标间的关系。设计中既要 考虑先进的技术指标，也要考虑经济效益。否则，过高的考虑先进的技术指标，也要考虑经济效益

10、。否则，过高的 追求先进的技术指标，将是成本过高。同时，在满足设计追求先进的技术指标，将是成本过高。同时，在满足设计 指标的前提下，尽可能降低参数指标，便于降低对工艺的指标的前提下，尽可能降低参数指标，便于降低对工艺的 要求，提高产品成品率。要求，提高产品成品率。 4 4在进行产品设计时，一定要考虑器件的稳定性和可靠在进行产品设计时，一定要考虑器件的稳定性和可靠 性。性。 （四）设计步骤和设计内容（四）设计步骤和设计内容 1 1设计步骤：设计步骤： （1 1）根据使用要求选定主要电学参数，确定主要电学参数）根据使用要求选定主要电学参数，确定主要电学参数 的设计指标。的设计指标。 例如：若用户要

11、求晶体管在频率例如：若用户要求晶体管在频率f=400MHzf=400MHz，电源电压，电源电压 Vcc=28VVcc=28V，转换效率，转换效率=40%=40%时，具有时，具有5W5W的功率输出。的功率输出。 用户需要的晶体管属于高频大功率管，主要电学参数为用户需要的晶体管属于高频大功率管，主要电学参数为 GG P P 、f f T T 、BVBVCBO CBO、 、P Pcm cm、 、I Icm cm等。确定了主要电学参数后，设计 等。确定了主要电学参数后，设计 者的首要任务是确定设计指标。如按者的首要任务是确定设计指标。如按P P 0 0 和和 即可确定耗散功率即可确定耗散功率 P P

12、cmcm P P 0 0 /=12.5W/=12.5W，由使用频率选取，由使用频率选取f f T T 1.5f= 600MHz1.5f= 600MHz 等。这样，可将主要电学参数依次确定下来。等。这样，可将主要电学参数依次确定下来。 （2 2）根据设计指标的要求，了解同类产品的现有水平和工）根据设计指标的要求，了解同类产品的现有水平和工 艺条件，结合设计指标和生产经验进行初步设计。艺条件，结合设计指标和生产经验进行初步设计。 （3 3）根据初步设计方案，对晶体管的电学参数进行验算，）根据初步设计方案，对晶体管的电学参数进行验算， 在此基础上，对设计方案进行综合调整和修改。在此基础上，对设计方案

13、进行综合调整和修改。 （4 4）根据初步设计方案进行小批量试制，通过边设计，边）根据初步设计方案进行小批量试制，通过边设计，边 试制，暴露问题，解决矛盾，修改和完善设计方案。试制，暴露问题，解决矛盾，修改和完善设计方案。 2 2主要设计内容包括：主要设计内容包括： （1 1）根据主要参数的设计指标确定器件的纵向结构，如）根据主要参数的设计指标确定器件的纵向结构，如 集电区厚度集电区厚度WW c c ，基区宽度，基区宽度WW b b 和扩散结深和扩散结深x x j j 等等 （2 2）根据设计指标确定器件的图形结构，设计器件的图）根据设计指标确定器件的图形结构，设计器件的图 形尺寸，绘制光刻版图

14、。形尺寸，绘制光刻版图。 （3 3）选取材料，确定材料参数，如电阻率、位错、寿命）选取材料，确定材料参数，如电阻率、位错、寿命 、晶向等，并制定实施工艺方案。、晶向等，并制定实施工艺方案。 （4 4）进行热学设计，选取封装形式，选用合适的管壳和）进行热学设计，选取封装形式，选用合适的管壳和 散热方式。散热方式。 （五）晶体管设计举例（五）晶体管设计举例 1 1设计指标：设计指标： 工作频率工作频率f f为为400MHz400MHz，输出功率，输出功率P P 0 0 为为40W40W，工作，工作 电压电压V VCC CC为 为28V28V，效率，效率 为为40 40，功率增益，功率增益GG P

15、P 为为5dB5dB。 2 2总体设计：总体设计： 因为器件的功率大，频率高，发射极条细，且条数因为器件的功率大，频率高，发射极条细，且条数 很多，不可能将全部发射极条放在同一个基区内，因此要很多，不可能将全部发射极条放在同一个基区内，因此要 将器件分割成几个子器件，最后在管壳内进行功率合成。将器件分割成几个子器件，最后在管壳内进行功率合成。 本例分成本例分成4 4个管芯。个管芯。 3 3纵向结构设计：纵向结构设计： （1 1）集电区杂质浓度：）集电区杂质浓度： 在甲类工作状态下，在甲类工作状态下，BVBVCEO CEO 2V2VCC CC 56V56V，将，将BVBVCEO CEO 代入下式

16、代入下式 取取 2525，n=4n=4，可得，可得BVBVCBO CBO 126V126V，N N C C 41041015 15cm cm - - 3 3 ，因而选取，因而选取P P C C 1 11.2.cm1.2.cm。由于在浅结器件中击穿首。由于在浅结器件中击穿首 先发生在结面弯曲的电场集中处，考虑曲率半径的影响后先发生在结面弯曲的电场集中处，考虑曲率半径的影响后 ，实际击穿电压，实际击穿电压BVBVCBO CBO只能达到 只能达到707080V80V。 （2 2）集电区厚度：）集电区厚度： 将将BVBVCBO CBO 80V80V代入下式代入下式 算得算得WW C C 5.1m5.1m。从提高二次击穿耐量出发，将代入下。从提高二次击穿耐量出发，将代入下 式式 可