《晶体管设计-2013-胡》由会员分享，可在线阅读，更多相关《晶体管设计-2013-胡（25页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、课程设计及设计性试验晶体管设计一、引言二、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出因
2、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，经过多次反复，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，然后再进行综合分析和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。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 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。 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WWb b、N NB B
3、（基区平均杂（基区平均杂质浓度）、质浓度）、N NE 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 ICBOCBO、I ICEOCEO、I IEBOEBO：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 xmm（N N）决定；）决定； （3 3）饱和压降）饱和压降V VCESCES：主要与：主要与r rb b（WWb b、N NB B）和）和r rCSCS（N NC C、WWC C、A AC C）有关；）有关； （4 4）输入正向压降）输入正向压降V VBESBES：主要与：主要与r rb b（WWb b、N NB B、）有关。
4、、）有关。 2 2交流参数交流参数 （1 1）特征频率）特征频率f fT T：由传输延迟时间：由传输延迟时间 eCeC决定，决定， e e （A Ae e、N NE E）、）、 b b（WWb b、N NB B）、）、 c c（A Ac c、N NC C）和）和 d d（N NC C）；）； （2 2）功率增益）功率增益GGP P：主要由：主要由f fT T、C Cc c（A AC C、A Apadpad）和）和r rb b（WWb b、N NB B）决定；）决定； （3 3）开关时间）开关时间t tonon和和t toffoff：主要与：主要与A Ae e、A AC C、基区和集、基区和集电
5、区少子寿命电区少子寿命 和集电区厚度和集电区厚度WWC C有关；有关； （4 4）噪声系数）噪声系数N NF F：N NF F主要由主要由r rb b和和f fT 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BVBVCEOCEO、BVBVCBOCBO、BVBVEBOEBO：BVBVCBOCBO主要由主要由N NC C、WWC C和和x xjCjC决定，决定，BVBVEBOEBO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 Icmcm：与发射极总周长：与发射极总周长L LE E、集电区、集电区杂质浓度杂质
6、浓度N NC C有关；有关； （3 3）最大耗散功率）最大耗散功率P Pcmcm：主要与热阻：主要与热阻R RT T（基区面积（基区面积A Ab b、芯片厚度芯片厚度t t）有关；）有关； （4 4）二次击穿耐量）二次击穿耐量E ESBSB：主要与：主要与N NC C、WWC C和镇流电阻和镇流电阻R RE 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 尽管双极晶体管的电学参数很多，但对于一种类型尽管
7、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，主要的电学参数是GGP P、f fT T、BVBVCBOCBO、P Pcmcm和和I Icmcm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 tonon、t toffoff、V VCESCES和和V VBESBES。 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
8、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
9、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。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 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
10、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GGP P、f fT T、BVBVCBOCBO、P Pcmcm、I Icmcm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 P0 0和和 即
11、可确定耗散功率即可确定耗散功率P PcmcmP P0 0/=12.5W/=12.5W，由使用频率选取，由使用频率选取f fT 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。
12、在此基础上，对设计方案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WWc c，基区宽度，基区宽度WWb b和扩散结深和扩散结深x xj 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
13、版图。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 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 P0 0为为40W40W，工作，工作电压电压V VCCCC为为28V28V，效率，效率 为为4040，功率增益，功率增益GGP P为为5dB5dB。 2 2总体设
14、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，BVBVCEOCEO2V2VCCCC56V56V，将，将BVBVCEOCEO代入下式代入下式 取取 2525，n=4n=4，可得，可得BVB
15、VCBOCBO126V126V，N NC C4104101515cmcm- -3 3，因而选取，因而选取P PC C1 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BVBVCBOCBO只能达到只能达到707080V80V。（2 2）集电区厚度：）集电区厚度： 将将BVBVCBOCBO80V80V代入下式代入下式 算得算得WWC C5.1m5.1m。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 可得可得WWC C7
16、m7m。为了不增加串联电阻。为了不增加串联电阻又能提高二次击穿耐量，采用双层外延工艺。首先生长一又能提高二次击穿耐量，采用双层外延工艺。首先生长一层杂质浓度高于层杂质浓度高于N NC C，厚度大于，厚度大于3m3m的过渡层，再生长的过渡层，再生长N NC C4104101515cmcm-3-3，厚度为，厚度为5 56m6m的的SiSi层以满足击穿电压层以满足击穿电压要求。要求。 （3 3）基区宽度：）基区宽度： 为了满足器件工作频率要求，选取为了满足器件工作频率要求，选取f fT T/f/f1.51.5，由此，由此得得f fT T600MHz600MHz。此时，对特征频率影响最大的仍然是基。此
17、时，对特征频率影响最大的仍然是基区渡越时间，设基区平均杂质浓度区渡越时间，设基区平均杂质浓度N NB B2102101717cmcm-3-3，代，代入下式入下式 得，得，WWb b0.76m0.76m。 由于器件工作电压较低，集电结空间电荷区扩展入基区的由于器件工作电压较低，集电结空间电荷区扩展入基区的宽度很窄，基区宽度的下限由基区陷落效应决定。所以基宽度很窄，基区宽度的下限由基区陷落效应决定。所以基区宽度的取值范围区宽度的取值范围0.5m W0.5m Wb b0.76m0.76m，兼顾器件的，兼顾器件的频率特性和成品率，选取频率特性和成品率，选取WWb b0.7m0.7m。 （4 4）扩散结
18、深）扩散结深 根据根据 ， ，可选取，可选取x xjeje=W=Wb b=0.7m=0.7m，x xjcjc=2W=2Wb b=1.4m=1.4m。 4 4横向设计：横向设计： （1 1）发射极总周长：发射极总周长由下式决定）发射极总周长：发射极总周长由下式决定 式中集电极的最大电流式中集电极的最大电流I Icmcm由输出功率由输出功率P P0 0和电源电压和电源电压V VCCCC决定。在甲类工作状态下，晶体管的最大输出功率决定。在甲类工作状态下，晶体管的最大输出功率 因此管芯的最大电流因此管芯的最大电流I Icmcm1.5A1.5A。 线发射电流可按下式计算，线发射电流可按下式计算， 也可按
19、经验选取也可按经验选取 下面是常用的一组经验数据下面是常用的一组经验数据 I I0 00.8-1.6A/cm0.8-1.6A/cm（f=20-400MHzf=20-400MHz）；）；I I0 00.4-0.4-0.8A/cm0.8A/cm（f=400MHz-2GHzf=400MHz-2GHz）；）；I I0 01.6-4A/cm 1.6-4A/cm （开关晶体管）。（开关晶体管）。 对于外延平面晶体管，当基区宽度较窄时，集电极最大电对于外延平面晶体管，当基区宽度较窄时，集电极最大电流由基区扩展效应临界电流密度流由基区扩展效应临界电流密度J Jcrcr决定，决定， 则，则，I I0 00.63
20、A/cm0.63A/cm。该机算值正好在经验取值的范围内。该机算值正好在经验取值的范围内。可得发射极总周长为可得发射极总周长为2.38cm2.38cm。 （2 2）单元图形尺寸：）单元图形尺寸： 发射极有效条宽：发射极有效条宽： 为了提高成品率，可为了提高成品率，可s se e选宽一点。按经验数据，当选宽一点。按经验数据，当f fT T=400MHz-600MHz=400MHz-600MHz时，时，s se e可选可选6 612m12m。本例按光。本例按光刻精度刻精度h h3m3m进行选取，取发射极引线宽度为进行选取，取发射极引线宽度为6m6m，则，则发射极条宽发射极条宽s se e12m12
21、m。 （3 3）单元发射极条长：）单元发射极条长： 若浓基区条宽按最小尺寸选取，则若浓基区条宽按最小尺寸选取，则s sb b6m6m。可得有效。可得有效条长条长 实际取实际取l le e=76m l=76m leffeff。也正好在经验取值（。也正好在经验取值（4 48 8）s se e范围内。范围内。 （4 4）发射极条数：）发射极条数： 取取n n160160。 （5 5）发射极引线孔尺寸：）发射极引线孔尺寸： 引线孔按光刻精度选取为引线孔按光刻精度选取为6m 6m ，且为了制版和光，且为了制版和光刻容易对准，长度方向的套刻间距取刻容易对准，长度方向的套刻间距取9m9m，因而发射极引，因而
22、发射极引线孔的尺寸为线孔的尺寸为586m586m 2 2。5 5镇流电阻镇流电阻6 6主要电学参数验算主要电学参数验算7 7光刻版制作光刻版制作8 8制造制造作业与考核要求1、每30人一组（按学号排列），每组一个题目；2、设计报告：手写（不少于10页）；3、按学号前后，两人一组交报告，设计报告每人一份。4、报告包含内容：器件功能、参数描述和器件设计过程。作 业一班一班 第一组：第一组：PH0912-35PH0912-35； 第二组：第二组：PH1113-100PH1113-100； 第三组：第三组：PH1214-2MPH1214-2M；二班二班 第四组：第四组：PH1214-20ELPH1214-20EL；第五组：；第五组：PH1516-2PH1516-2； 第六组：第六组：PH1819-15NPH1819-15N；教改班教改班 第七组：第七组：PH1920-33PH1920-33。
