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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）2019 年 9 月 13 日星期五高频功率晶体管设计双极型晶体管（ BipolarTransistor）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，
2、双极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
4、极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
5、工作频率 f=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
6、为0.25W,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
7、值下降到1 时的信号频率称为特征频率。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， U
8、CE0 ， IC=EC RC ，把三极管当作一个开关，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
9、和电流ICBO ：是集电结的反向电流。集电极发射极反向饱和电流ICEO ：它是穿透电流。ICEO 与 ICBO 的关系：I CEOI CBO( 1)I CBO1二纵向结构参数的选取1. 集电区外延材料电阻率的选取BVB1CE根据式VCBOnO,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, 就要求时间常娄中占主要地位的是. 和 .当Vce=20V.在微波范围内 ,这个频率不算太高 ,这时各时 ,集电结耗尽区宽度 .
10、,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.
11、83 x 1023cm-4再由式,得基区平均杂质浓度为=1.16 x 1018cm-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发射区与浓硼区之间的无源基区方块电阻为式中,欧。对于浓硼区的集电结结深 E3=140KeV ,注入剂量为Xjc, 可初步选取为1um 左右 .当浓硼的注入能量为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如下:淡硼基区结深x jc =0.51 mxje=0.26 m发射区结深a je =1.83 1023 cm-4发射结外的杂质浓度梯度基区宽度 W B =0.25 m淡硼基区硼离子注入能量 EB11=60keVN=8
