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1、组别：志贤队组员：李嘉雄谢帆斌刘志贤王业许纯锴（组长）2013 年 3 月 30 日星期六高频功率晶体管设计双极型晶体管（ Bipolar Transistor）由两个背靠背PN 结构成的具有电流放大作用的晶体三极管。起源于1948 年发明的点接触晶体三极管，50 年代初发展成结型三极管即现在所称的双极型晶体管。双极型晶体管有两种基本结构：PNP 型和 NPN 型。在这3 层半导体中，中间一层称基区，外侧两层分别称发射区和集电区。当基区注入少量电流时，在发射区和集电区之间就会形成较大的电流，这就是晶体管的放大效应。双极型晶体管是一种电流控制器件，电子和空穴同时参与导电。同场效应晶体管相比，双极
2、型晶体管开关速度快，但输入阻抗小，功耗大。双极型晶体管体积小、重量轻、耗电少、寿命长、可靠性高，已广泛用于广播、电视、通信、雷达、计算机、自控装置、电子仪器、家用电器等领域，起放大、振荡、开关等作用。这里设计的高频大功率晶体管将用于甲类放大,其设计指标如下: 放大倍数 Au 工作频率Ff 功率增益效率 efficiency 输出功率功耗非线性失真系数THD （Total harmonic distortion ）-(由于功率管的非线性和大信号的运用，易产生非线性失真，要考虑）双极型晶体管极限参数一：一般考虑在共发射极甲类运用时,根据图 4-1,晶体管的集电极与发射极之间应当能承受的电压峰值为
3、2vcc，故根据式Ic=Vce/RL ,最大集电极工作电流为Ic=2Vcc/RL 根据式Pc=Ic2*RL ,最大耗散功率为Pcm 主要与热阻RT 有关，而热阻又与基区面积 Ab，芯片厚度t 有关。效率最大理论值为50% ，但由于vces,Iceo的存在，实际效率小于50% ，输出信号功率Po, 热量的耗散功率为最大耗散功率晶体管的最高结温为Tjm=150200 摄氏度；当Tjm 由 200 降到 150 时，平均失效时间可增加 5 倍。最大集电极耗散功率最大集电极电流ICM :使 b 下降到正常值的时的集电极电流称之为集电极最大允许电流。极间反向击穿电压：晶体管的某一电极开路时，另外两个电极
4、间所允许加的最高反向电压即为极间反向击穿电压，超过此值的管子会发生击穿现象。温度升高时，击穿电压要下降。是发射极开路时集电极-基极间的反向击穿电压，这是集电结所允许加的最高反向电压。是基极开路时集电极-发射极间的反向击穿电压，此时集电结承受的反向电压。是集电极开路时发射极-基极间的反向击穿电压，这是发射结所允许加的最高反向电压。温度对晶体管的影响：是集电结加反向电压时平衡少子的漂移运动形成的，当温度升高时，热运动加剧，更多的价电子有足够的能量挣脱共价键的束缚，从而使少子的浓度明显增大，ICBO增大温度对输入特性的影响：温度升高，正向特性将左移。温度对输出特性的影响：温度升高时增大。当工作频率f
5、=2GHz 时 ,要获得功率增益Kp=10dB, 则特征频率ft 应该选得稍高一些。如选取ft=3.6GHz, 但频率不能无限制增大，有可能会造成线性失真，导致功率减小。晶体管对Cob,rbb,Re 和 Le 的要求也是很高的。为此可考虑采取以下措施。（1）采用砷硼以离子注入工艺，以获得较小的基极电阻rbb,和较小的基区宽度Wb. （2）采用 1um 精度的光刻工艺，以获得较小的发射区宽度Se，从而降低rbb,和各势垒电容. （3）其区硼离子注入剂量不宜过低,以降低 rbb,并保证基区不到在工作电压下发生穿通. （4）采用多子器件结构,将整个器件分为四个子器件,每个子器件的输出功率为0.25W
6、,最大集电极工作电流为 0.5A,热阻为200C/W.这种考虑有利于整个芯片内各点的结温均匀化 ,从而可降低对镇流电阻Re 的要求 ,因此可以选取较小的Re以提高 Kp. （5）对部分无基区进行重掺杂而形成浓硼区,这样可以减小rbb,同时还可因为浓硼区的结深较深而提高集电结击穿电压. （6）由于输出功率并不太大,流经发射区金属电极条的电流也不大,考虑到梳状结构发射区的有效利用面积较覆盖结构的大,故在设计方案采用梳状结构,这样可以因结面积的减小而合各势垒电容变小. 特征频率：由于晶体管中PN 结结电容的存在，晶体管的交流电流放大系数会随工作频率的升高而下降，当的数值下降到1 时的信号频率称为特征
7、频率。共射级输入特性曲线：描述了在管压降UCE 一定的情况下，基极电流iB 与发射结压降uBE 之间的关系称为输入伏安特性，可表示为：硅管的开启电压约为0.7V ，锗管的开启电压约为0.3V 。共射级输出特性曲线：描述基极电流IB 为一常量时，集电极电流iC 与管压降uCE 之间的函数关系。可表示为：双击型晶体管输出特性可分为三个区截止区：发射结和集电结均为反向偏置。IE0 ， IC0 ， UCEEC，管子失去放大能力。如果把三极管当作一个开关，这个状态相当于断开状态。饱和区：发射结和集电结均为正向偏置。在饱和区IC 不受 IB 的控制，管子失去放大作用，UCE0 ，IC=EC RC ，把三极
8、管当作一个开关，这时开关处于闭合状态。放大区：发射结正偏，集电结反偏。放大区的特点是： IC 受 IB 的控制，与UCE 的大小几乎无关。因此三极管是一个受电流IB 控制的电流源。特性曲线平坦部分之间的间隔大小，反映基极电流IB 对集电极电流IC 控制能力的大小，间隔越大表示管子电流放大系数b 越大。伏安特性最低的那条线为IB=0 ，表示基极开路，IC 很小，此时的IC 就是穿透电流 ICEO 。在放大区电流电压关系为：UCE=EC-ICRC, IC=IB在放大区管子可等效为一个可变直流电阻。极间反向电流：是少数载流子漂移运动的结果。集电极基极反向饱和电流ICBO ：是集电结的反向电流。集电极
9、发射极反向饱和电流ICEO ：它是穿透电流。ICEO与 ICBO 的关系：二纵向结构参数的选取1. 集电区外延材料电阻率的选取根据式BV,得 BVceo=40V, 取 b=40,则 BVcbo=100V . 近似认为集电结为单边突变结, 根据式 .,在要求 BVcbo=100V 时,求得 .相当于 . . 2.基区宽度Wb 的选取在选定特征频率Ft=3.6GHz,就要求.在微波范围内,这个频率不算太高,这时各时间常娄中占主要地位的是. 和.当 Vce=20V 时,集电结耗尽区宽度. ,并取得 . 可见rd 已接近于rec 的 1/3.若选取. 3.集电结结深Xjc 发射结结深Xje 及杂质浓度
10、的选取采用砷硼双离子注入工艺不考虑发射区陷落效应.根据常规 ,在基区宽度Wb 不太小时 , 可取 Xje/Wb=1, 即选取 Xje 为 0.25um,Xjc 为 0.5um.这样已够避开外延层的表面损伤层. 为了满足 Xjc=0.5um, 选取基区的硼离子注入能量E1=60keV,注入剂量 . 由式,得注入硼的最大浓度为Nmb=4.25 x 1018cm-3 。由式,得集电结结深为Xjc=0.51um ，于是得发射结结深为Xje=0.26um 。. 由式, 得 发 射 结 处 的 杂 质 浓 度 梯 度 为aje=1.83 x 1023cm-4 再由式,得基区平均杂质浓度为=1.16 x 1
11、018cm-3 。发射区正下方的有源基区方块电阻为取射区空空迁移率Up=120cm2/Vs 。Rb1=1.76 x 103 欧。发射区与浓硼区之间的无源基区方块电阻为式中, 对于浓硼区的集电结结深Xjc, 可初步选取为1um 左右 .当浓硼的注入能量为E3=140KeV,注入剂量为Nb3=2 x 1015cm-2 时，其方块电阻为Rb3=5 欧 。对于发射区 ,砷注入的表面浓度NES=5 x 1020cm-3 。4. 外延厚度的选取根据式.,外延层厚度W 外应满足当 Vbc=BVcbo=100V时,浓硼区集电结的耗尽区宽度为. 考虑到,故应选取W 外=8um 综上所述 ,纵向结构设计得到的参数
12、如下: 淡硼基区结深jcx=0.51 m 发射区结深jex=0.26 m 发射结外的杂质浓度梯度jea=1.832310cm-4基区宽度BW=0.25 m 淡硼基区硼离子注入能量1E=60keV 淡硼基区硼离子注入剂量1BN=81310cm-2 有源基区方块电阻1BR=1.76310无源基区方块电阻2BR=1.3310砷离子注入发射区表面浓度ESN=520102cm浓硼区结深jcx =1 m 浓硼区硼离子注入能量3E=140keV 浓硼区硼离子注入剂量3BN=215102cm浓硼区方块电阻3RB=5外延层杂质浓度CN=515103cm外延层电阻率 C=1cm 衬底电阻率 衬=0.01cm三横向
13、结构参数的选取1.发射区宽度Se,长度 Le,和条数 n 的选取根据式 .,大电流时的发射区有效半宽度为y0=0.278um 式中 ,取 Un=320cm2/V .s ，Up=120cm2/V .s 。由于发射区宽度Se应稍大于 2yo,并考虑到光刻精度为1um,故选取 Se=1um.应该指出的是,尽管采用了离子注入工艺,仍会有一定的杂质横向扩散,使实际得到的发射区宽度Se 略大于光该掩膜版上的发射区宽度.下面的选取浓硼区宽度Sb 时也有这个问题.在设计掩膜版时必须考虑到这个因素. 发射极金属电极条的宽度Dm 应略大于发射击区宽度Se,可取 Dm=1.5um. 根据 3.7.3节给出的确定发射
14、极金属电极长度Lm=26um, 于是可选取发射区长度Le=25um. 在确定 Se=1um 和 Le=25um 后,可算出每一单元发射区的周长.如果知道了发射区总周长Le,将其除以单元发射区的周长Le,就可得到单元发射区的数目n . 根据式 (3-180),发射区总周长为Le=Icmax/io. 式中的 Io 代表发射区单位周长的电流容量,可由式 (3-184)求出 ,既. 对于 Ft=3.6GHz 的微波功率晶体管,由于基区宽度Wb 很窄 ,大电流下 b 和 Ft 的下降是由于基区扩展效应,因此最大电流密度Jcmax 应以下不发生基区扩展为标准,由式 . 得 利用上式的Jcmax 数值和已经
15、选取的 可算得. .当 F=4002000MHz时,io 的经验数据为0.40.8A/cm, 稍加一定的佘量后可初步选取Le=0.36cm. 最后可得单元发射区的数目为 . 将 72 个单元发射区分成四组,每组为一个子器件,每一个子器件有n=n/4=18 条发射 2子器件基区面积(即集电结面积)的选取根据上面已经选取的单元发射区的宽度Se,长度 Le 和每一个子器件中器件中单元2发射区的数目n,可以得到每一子器件的发射击区面积为基区面积 Ab 的上限由晶休管的频率特性决定,而下限则由所要求的热阻Rt 决定 .现选取浓硼区宽度为Sb=22um,发射区与浓硼区间距离为d=1um,发射区金属化电极条宽为1.5um,基极金属化电极条宽为1.0um,所构成的梳状结构的子器件如图 4-19 所示 . 子器件的基区宽度为单元发射区长度Le=25um 加上两端的间距,即 28um.子器件的基区长度为子器件中18 个单元发射区宽度Se=1um,19 个浓硼区宽度Sb=2um 和 38 个间距 d=1um之和 ,为 95um.因此 .子器件的基区面积Ab(即集电区面积Ac)为 Ab=28*95=2660um2 虽然现在还不能判断上述Ab 是否满足频率的要求,但可以先核对这一部分热阻.对每一子器件来说 ,热源 (即集电结 )的 D/c-3,硅片厚度F
