晶體管設(shè)計(jì)-2013-胡課件

課程設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)性試驗(yàn)

－晶體管設(shè)計(jì)一、引言（二）各個(gè)物理、幾何參數(shù)對(duì)器件特性的影響

雙極晶體管的主要電學(xué)參數(shù)可分為直流參數(shù)、交流參數(shù)和極限參數(shù)三大類。

1、直流參數(shù)（1）共射電流放大系數(shù)β：主要與Wb、NB（基區(qū)平均雜質(zhì)濃度）、NE（發(fā)射區(qū)平均雜質(zhì)濃度）有關(guān)；（2）反向飽和電流ICBO、ICEO、IEBO：主要由壽命τ，空間電荷區(qū)寬度xm（N）決定；（3）飽和壓降VCES：主要與rb（Wb、NB）和rCS（NC、WC、AC）有關(guān)；（4）輸入正向壓降VBES：主要與rb（Wb、NB、）有關(guān)。2．交流參數(shù)（1）特征頻率fT：由傳輸延遲時(shí)間τeC決定，τe

（Ae、NE）、τb（Wb、NB）、τc（Ac、NC）和τd（NC）；（2）功率增益GP：主要由fT、Cc（AC、Apad）和rb（Wb、NB）決定；（3）開(kāi)關(guān)時(shí)間ton和toff：主要與Ae、AC、基區(qū)和集電區(qū)少子壽命τ和集電區(qū)厚度WC有關(guān)；（4）噪聲系數(shù)NF：NF主要由rb和fT決定。3．極限參數(shù)（1）擊穿電壓BVCEO、BVCBO、BVEBO：BVCBO主要由NC、WC和xjC決定，BVEBO主要由發(fā)射結(jié)側(cè)壁基區(qū)表面濃度決定；（2）集電極最大電流Icm：與發(fā)射極總周長(zhǎng)LE、集電區(qū)雜質(zhì)濃度NC有關(guān)；（3）最大耗散功率Pcm：主要與熱阻RT（基區(qū)面積Ab、芯片厚度t）有關(guān)；（4）二次擊穿耐量ESB：主要與NC、WC和鎮(zhèn)流電阻RE有關(guān)。

晶體管的各電學(xué)參量之間是相互有關(guān)的，而且電學(xué)參數(shù)隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化關(guān)系也相當(dāng)復(fù)雜，甚至出現(xiàn)相互矛盾。

2．任何一個(gè)好的設(shè)計(jì)方案都比須通過(guò)合適的工藝才能實(shí)現(xiàn)。因此，在設(shè)計(jì)中必須正確處理設(shè)計(jì)指標(biāo)和工藝條件之間的矛盾。設(shè)計(jì)前必須了解工藝水平和設(shè)備精度，結(jié)合工藝水平進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

3．正確處理技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)間的關(guān)系。設(shè)計(jì)中既要考慮先進(jìn)的技術(shù)指標(biāo)，也要考慮經(jīng)濟(jì)效益。否則，過(guò)高的追求先進(jìn)的技術(shù)指標(biāo)，將是成本過(guò)高。同時(shí)，在滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的前提下，盡可能降低參數(shù)指標(biāo)，便于降低對(duì)工藝的要求，提高產(chǎn)品成品率。

4．在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，一定要考慮器件的穩(wěn)定性和可靠性。（四）設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)內(nèi)容

1．設(shè)計(jì)步驟：（1）根據(jù)使用要求選定主要電學(xué)參數(shù)，確定主要電學(xué)參數(shù)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。例如：若用戶要求晶體管在頻率f=400MHz，電源電壓Vcc=28V，轉(zhuǎn)換效率η=40%時(shí)，具有5W的功率輸出。用戶需要的晶體管屬于高頻大功率管，主要電學(xué)參數(shù)為GP、fT、BVCBO、Pcm、Icm等。確定了主要電學(xué)參數(shù)后，設(shè)計(jì)者的首要任務(wù)是確定設(shè)計(jì)指標(biāo)。如按P0和η即可確定耗散功率Pcm＝P0/η=12.5W，由使用頻率選取fT

＝1.5f=600MHz等。這樣，可將主要電學(xué)參數(shù)依次確定下來(lái)。

（2）根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，了解同類產(chǎn)品的現(xiàn)有水平和工藝條件，結(jié)合設(shè)計(jì)指標(biāo)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。（3）根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案，對(duì)晶體管的電學(xué)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算，在此基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合調(diào)整和修改。（4）根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行小批量試制，通過(guò)邊設(shè)計(jì)，邊試制，暴露問(wèn)題，解決矛盾，修改和完善設(shè)計(jì)方案。（五）晶體管設(shè)計(jì)舉例1．設(shè)計(jì)指標(biāo)：工作頻率f為400MHz，輸出功率P0為40W，工作電壓VCC為28V，效率η為40％，功率增益GP為5dB。

2．總體設(shè)計(jì)：因?yàn)槠骷墓β蚀?，頻率高，發(fā)射極條細(xì)，且條數(shù)很多，不可能將全部發(fā)射極條放在同一個(gè)基區(qū)內(nèi)，因此要將器件分割成幾個(gè)子器件，最后在管殼內(nèi)進(jìn)行功率合成。本例分成4個(gè)管芯。3．縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：（1）集電區(qū)雜質(zhì)濃度：在甲類工作狀態(tài)下，BVCEO＝2VCC＝56V，將BVCEO代入下式取β＝25，n=4，可得BVCBO＝126V，NC＝4×1015cm-3，因而選取PC＝1－1.2Ω.cm。由于在淺結(jié)器件中擊穿首先發(fā)生在結(jié)面彎曲的電場(chǎng)集中處，考慮曲率半徑的影響后，實(shí)際擊穿電壓BVCBO只能達(dá)到70－80V。（2）集電區(qū)厚度：將BVCBO＝80V代入下式

算得WC≥5.1μm。從提高二次擊穿耐量出發(fā)，將代入下式可得WC≥7μm。為了不增加串聯(lián)電阻又能提高二次擊穿耐量，采用雙層外延工藝。首先生長(zhǎng)一層雜質(zhì)濃度高于NC，厚度大于3μm的過(guò)渡層，再生長(zhǎng)NC≤4×1015cm-3，厚度為5－6μm的Si層以滿足擊穿電壓要求。

（4）擴(kuò)散結(jié)深根據(jù)，，可選取xje=Wb=0.7μm，xjc=2Wb=1.4μm。4．橫向設(shè)計(jì)：

（1）發(fā)射極總周長(zhǎng)：發(fā)射極總周長(zhǎng)由下式?jīng)Q定式中集電極的最大電流Icm由輸出功率P0和電源電壓VCC決定。在甲類工作狀態(tài)下，晶體管的最大輸出功率因此管芯的最大電流Icm＝1.5A。線發(fā)射電流可按下式計(jì)算，也可按經(jīng)驗(yàn)選取

下面是常用的一組經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)

I0＝0.8-1.6A/cm（f=20-400MHz）；I0＝0.4-0.8A/cm（f=400MHz-2GHz）；I0＝1.6-4A/cm（開(kāi)關(guān)晶體管）。對(duì)于外延平面晶體管，當(dāng)基區(qū)寬度較窄時(shí)，集電極最大電流由基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)臨界電流密度Jcr決定，

則，I0＝0.63A/cm。該機(jī)算值正好在經(jīng)驗(yàn)取值的范圍內(nèi)?？傻冒l(fā)射極總周長(zhǎng)為2.38cm。

（3）單元發(fā)射極條長(zhǎng)：若濃基區(qū)條寬按最小尺寸選取，則sb＝6μm?？傻糜行l長(zhǎng)

實(shí)際取le=76μm<leff。也正好在經(jīng)驗(yàn)取值（4－8）se范圍內(nèi)。

（4）發(fā)射極條數(shù)：取n＝160。（5）發(fā)射極引線孔尺寸：引線孔按光刻精度選取為6μm，且為了制版和光刻容易對(duì)準(zhǔn)，長(zhǎng)度方向的套刻間距取9μm，因而發(fā)射極引線孔的尺寸為58×6μm2。5．鎮(zhèn)流電阻6．主要電學(xué)參數(shù)驗(yàn)算7．光刻版制作8．制造作業(yè)一班