高頻功率晶體管設計實例

1、組別：志賢隊組員：李嘉雄謝帆斌劉志賢王業(yè)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(fā)明的點接觸晶體三極管，50年代初發(fā)展成結型三極管即現(xiàn)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(qū)，外側兩層分別稱發(fā)射區(qū)和集電區(qū)。當基區(qū)注入少量電流時，在發(fā)射區(qū)和集電區(qū)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(shù) 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(shù)THD （ Total harmonic distortion ）-( 由于功率管的非線性和大信號的運用，易產(chǎn)生非線性失真，要考慮）雙極型晶體管極限參數(shù)一：一般考慮在共發(fā)射極甲類運用時,根據(jù)圖 4-1,晶體管的集電極與發(fā)射極之間應當能承受的電壓峰值為2vc

3、c，故根據(jù)式Ic=Vce/RL,最大集電極工作電流為Ic=2Vcc/RL根據(jù)式Pc=Ic2*RL,最大耗散功率為Pcm 主要與熱阻區(qū)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(fā)生擊穿現(xiàn)象。溫度升高時，擊穿電壓要下降。是發(fā)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(fā)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(fā)射極- 基極間的反向擊穿電壓，這是發(fā)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(qū)寬度 Wb.（2）采用 1um 精度的光刻工藝，以獲得較小的發(fā)射區(qū)寬度Se，從而降低 rbb,和各勢壘電容.（3）其區(qū)硼離子注入劑量不宜過低,以降低 rbb,并保證基區(qū)不到在工作電壓下發(fā)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(zhèn)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(qū)進行重摻雜而形成濃硼區(qū),這樣可以減小 rbb,同時還可因為濃硼區(qū)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(jīng)發(fā)射區(qū)金屬電極條的電流也不大,考慮到梳狀結構發(fā)射區(qū)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(shù)會隨工作頻率的升高而下降，當?shù)臄?shù)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(fā)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(shù)關系。可表示為：雙擊型晶體管輸出特性可分為三個區(qū)截止區(qū)：發(fā)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(tài)相當于斷開狀態(tài)。飽和區(qū)：發(fā)射結和集電結均為正向偏置。在飽和區(qū)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(tài)。放大區(qū)：發(fā)射結正偏，集電結反偏。放大區(qū)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(shù)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(qū)電流電壓關系為：UCE=EC-ICRC,IC=IB在放大區(qū)管子可等效為一個可變直流電阻。極間反向電流：是少數(shù)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(fā)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(shù)的選取1. 集電區(qū)外延材料電阻率的選取BVCEOBVCBOn1根據(jù)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(jù)式 .,在要求 BVcbo=100V 時,求得.相當于 . .2.基區(qū)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(qū)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(fā)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(fā)射區(qū)陷落效應.根據(jù)常規(guī) ,在基區(qū)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(qū)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(fā)射結結深為Xje=0.26um。.由式,得發(fā)射結處的雜質濃度梯度為aje=1.83 x 1023cm-4再由式,得基區(qū)平

11、均雜質濃度為=1.16 x 1018cm-3 。發(fā)射區(qū)正下方的有源基區(qū)方塊電阻為取射區(qū)空空遷移率Up=120cm2/Vs。 Rb1=1.76 x 103歐。發(fā)射區(qū)與濃硼區(qū)之間的無源基區(qū)方塊電阻為式中,對于濃硼區(qū)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(fā)射區(qū) ,砷注入的表面濃度NES=5 x 1020cm-3 。4. 外延厚度的選取根據(jù)式.,外延層厚度W 外應滿足當 Vbc=BVcbo=100V 時 ,濃硼區(qū)集電結的耗盡區(qū)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(shù)如下:淡硼基區(qū)結深x jc =0.51 mx發(fā)射結外的雜質濃度梯度a je =1.83 ×1023 cm-4基區(qū)寬度 W B =0.25 m淡硼基區(qū)硼離子注入能量 E1 =60keV13淡硼基區(qū)硼離子注入劑量N B1 =8× 10 cm-2有源基區(qū)方塊電阻RB1 =1.76 × 103無源基區(qū)方塊電阻RB2 =1.3× 103砷離子注入發(fā)射區(qū)表面濃度N ES =5 × 1020 cm 2濃硼區(qū)結深x jc =1m濃硼區(qū)硼離子注入能量E3 =140keV濃硼區(qū)硼離子注入劑量N B 3 =2× 1015 cm 2

13、濃硼區(qū)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(shù)的選取1. 發(fā)射區(qū)寬度 Se,長度 Le,和條數(shù) n 的選取根據(jù)式 .,大電流時的發(fā)射區(qū)有效半寬度為y0=0.278um式中 ,取 Un=320cm2/V .s ， Up=120cm2/V .s 。由于發(fā)射區(qū)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(fā)射區(qū)寬度 Se 略大于光該掩膜版上的發(fā)射區(qū)寬度

14、 .下面的選取濃硼區(qū)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(fā)射極金屬電極條的寬度Dm 應略大于發(fā)射擊區(qū)寬度Se,可取 Dm=1.5um. 根據(jù) 3.7.3 節(jié)給出的確定發(fā)射極金屬電極長度Lm=26um, 于是可選取發(fā)射區(qū)長度Le=25um.在確定 Se=1um 和 Le=25um 后 ,可算出每一單元發(fā)射區(qū)的周長.如果知道了發(fā)射區(qū)總周長Le,將其除以單元發(fā)射區(qū)的周長Le,就可得到單元發(fā)射區(qū)的數(shù)目n .根據(jù)式 (3-180), 發(fā)射區(qū)總周長為Le=Icmax/io. 式中的 Io 代表發(fā)射區(qū)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(qū)寬度Wb 很窄 ,大電流下 b 和 Ft 的下降是由于基區(qū)擴展效應,因此最大電流密度Jcmax 應以下不發(fā)生基區(qū)擴展為標準,由式 .得利用上式的Jcmax 數(shù)值和已經(jīng)選取的可算得.當 F=4002000MHz時 ,io 的經(jīng)驗數(shù)據(jù)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(fā)射區(qū)的數(shù)目為.將 72 個單元發(fā)射區(qū)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(fā)射2子器件基區(qū)面積(即集電結面積)的選取根據(jù)上面已經(jīng)選取的單元發(fā)射區(qū)的寬度Se,長度 Le 和每一個子器件中器件中單元2發(fā)射區(qū)的數(shù)目n,可以得到每一子器件

16、的發(fā)射擊區(qū)面積為基區(qū)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(xiàn)選取濃硼區(qū)寬度為Sb=22um,發(fā)射區(qū)與濃硼區(qū)間距離為d=1um,發(fā)射區(qū)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(qū)寬度為單元發(fā)射區(qū)長度Le=25um 加上兩端的間距,即 28um.子器件的基區(qū)長度為子器件中 18 個單元發(fā)射區(qū)寬度 Se=1um,19 個濃硼區(qū)寬度 Sb=2um 和 38 個間距 d=1um 之和 ,為 95um. 因此 .子器件的基區(qū)面積 Ab( 即集電區(qū)面積 Ac) 為 Ab=28*95=2660u

17、m2雖然現(xiàn)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(lián)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(zhèn)流電阻的選取根據(jù)式 . 可確定每個單元發(fā)射極上的鎮(zhèn)流電阻Rei.因為已經(jīng)采用

18、了多子器件結構,且熱阻有較大的祭量,所以對鎮(zhèn)流電阻的要求可以降低些,故可取選取鎳鉻薄膜作為鎮(zhèn)流電阻材料,選取其.鎮(zhèn) Dmr 就是發(fā)射極金屬化電極條的寬度Dm, 即1.5um, 由式 (4-25b) 可得鎮(zhèn)壓流電阻的長度Lmr為18um. 子器件的鎮(zhèn)流電阻Re為.綜上所述 ,橫向設計得到的參數(shù)如下:單元發(fā)射區(qū)寬度Se=1um單元發(fā)射區(qū)長度Le=25um子器件聽發(fā)射區(qū)數(shù)目n=18濃硼區(qū)寬度Sb=2um發(fā)射區(qū)與濃硼區(qū)間距D=1um子器件的發(fā)射區(qū)面積Ae=450um 平方子器件的基區(qū)面積Ab=450um 平方發(fā)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(fā)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(fā)射擊極延伸電極直徑60um基極延伸電極直徑24um四主要參數(shù)的核算下面根據(jù)初步選定的縱向結構參數(shù)和橫向結構參數(shù)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(shù)和發(fā)射極鎮(zhèn)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(jīng)發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻的充，放電時間常數(shù)。下面來逐項計算上式分母中的各個時間常數(shù).(1)根據(jù)式.發(fā)射區(qū)延遲時間.式中 ,De 取 2cm 平方 /S.(2)根據(jù)式 .,發(fā)射結勢壘電容 Cte 的充 ,放電時間常數(shù)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(fā)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(fā)射結勢壘電容,即.將發(fā)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(jīng)確定的子器件發(fā)射區(qū)面積和子器件工作點電流Ie=25ma 代入 Teb,得(3)根據(jù)式, 集 電 極 電 容 Cob經(jīng) 基 區(qū) 的 充 , 放 電 時 間 性 常 數(shù) 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(qū)下方的集電區(qū)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