雙極型功率集成電路的應(yīng)用與發(fā)展

雙極型功率集成電路的應(yīng)用與發(fā)展

1雙極型功率機(jī)構(gòu)的原理雙極功率電路是一項(xiàng)非常重要的半輸出電路，在人們和軍事計(jì)算機(jī)中得到廣泛廣泛應(yīng)用。典型的應(yīng)用主要集中在通信、雷達(dá)和電子對(duì)抗等領(lǐng)域。大功率電子設(shè)備的性能和可靠性很大程度上取決于該類功率集成電路的性能及其可靠性,因此,功率集成電路的發(fā)展水平在某種意義上制約和決定著各類相關(guān)整機(jī)的發(fā)展水平。雙極型功率集成電路區(qū)別于其他雙極型小信號(hào)集成電路的最大特點(diǎn)是:首先,在大的耗散功率或者輸出功率條件下工作,具有承受較高電流的能力;其次,由于具有功率密度高和器件面積大的特點(diǎn),且運(yùn)用在大的輸入和輸出信號(hào)下,可靠性問(wèn)題尤為突出。上述特點(diǎn)決定了雙極型功率集成電路中功率晶體管的設(shè)計(jì)必須滿足以下要求:1)小熱阻;2)小飽和壓降或飽和電阻;3)大電流容量;4)一定的耐壓;5)良好的可靠性。但雙極型功率晶體管工作行為復(fù)雜,在低電壓、小電流、低功耗工作時(shí)未曾顯露和突出的矛盾,在高電壓、大電流、高功耗時(shí)將逐漸反映出來(lái),且隨著電流的增大、功率的提高,矛盾將更加突出。雙極型功率晶體管面臨的潛在失效主要是在大電流工作情況下由雙極晶體管發(fā)射結(jié)電流集邊效應(yīng)(基極電阻自偏壓效應(yīng))引起的電流和溫度分布不均,局部的大電流密度可能形成熱電正反饋,形成熱斑,嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生熱崩(即電流注入型二次擊穿),導(dǎo)致晶體管燒毀;同時(shí),Kirk效應(yīng)引起的基區(qū)寬度增大導(dǎo)致晶體管的放大系數(shù)、頻率和開關(guān)速度降低;Webster效應(yīng)引起的基區(qū)電導(dǎo)增大導(dǎo)致晶體管的放大系數(shù)降低等,均已成為制約雙極型功率集成電路性能和可靠性提高的關(guān)鍵因素。本文在分析雙極功率器件和集成電路工作特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,介紹了有利于提高雙極型功率集成電路性能和可靠性的器件結(jié)構(gòu)及其版圖設(shè)計(jì)方法,詳細(xì)分析了其特點(diǎn)和功能,以達(dá)到提高雙極型功率集成電路性能和可靠性的目的。2雙極態(tài)祖母的功率特性2.1基極電阻自偏壓效應(yīng)雙極型晶體管的基極電阻構(gòu)成如圖1所示,其中,擴(kuò)展電阻是在發(fā)射區(qū)的正下方并與結(jié)面平行的電阻(兩個(gè)2r′bb的并聯(lián)),總的基極電阻rb=(2r′bb+RDB)‖(2r′bb+RDB)。當(dāng)晶體管工作于放大狀態(tài)時(shí),由于IB是多子電流,從邊緣流向發(fā)射極中央,電流在擴(kuò)展電阻上的橫向電壓為V′bb=r′bbIB,使得晶體管發(fā)射結(jié)上不同區(qū)域的偏壓VEB不同(從發(fā)射結(jié)邊緣到中央不斷減小)。由于發(fā)射極電流與發(fā)射結(jié)偏壓之間有exp(qVBE/kT)的關(guān)系,所以,發(fā)射結(jié)偏壓只要略有差異,發(fā)射極電流就會(huì)有很大的變化。當(dāng)晶體管工作電流很大時(shí),基極電流通過(guò)基極電阻產(chǎn)生的壓降也很大,這使得發(fā)射極電流在發(fā)射結(jié)上分布極不均勻。實(shí)際上,發(fā)射極電流的分布是離基極接觸處越近,電流越大;離基極接觸處較遠(yuǎn)的地方,電流很快下降到很小的值。這個(gè)現(xiàn)象稱為基極電阻自偏壓效應(yīng),又稱為發(fā)射結(jié)電流集邊效應(yīng)。為了避免發(fā)射結(jié)電流集邊效應(yīng)給大功率雙極晶體管帶來(lái)嚴(yán)重的可靠性問(wèn)題,需要通過(guò)減小基極電阻、減小工作電流,以及將晶體管的發(fā)射極設(shè)計(jì)成梳狀結(jié)構(gòu),以提高發(fā)射極周長(zhǎng)/面積比,達(dá)到提高發(fā)射結(jié)有效寬度等方式,來(lái)降低發(fā)射結(jié)電流密度;同時(shí),增大散熱面積,減小熱阻,達(dá)到提高功率晶體管可靠性的目的。2.2內(nèi)建電場(chǎng)的影響當(dāng)晶體管工作在大電流條件下時(shí),注入基區(qū)的少子發(fā)生大注入。此時(shí),基區(qū)中會(huì)形成一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng),基區(qū)少子除擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)之外,還要在內(nèi)建電場(chǎng)下進(jìn)行漂移運(yùn)動(dòng)。這將導(dǎo)致發(fā)射結(jié)注入效率降低,從而使晶體管的放大系數(shù)顯著降低。這個(gè)現(xiàn)象稱為Webster效應(yīng),可通過(guò)提高基區(qū)摻雜濃度和降低注入水平(減小工作電流)減弱該效應(yīng)。2.3中性基區(qū)對(duì)電流的影響當(dāng)載流子以一定的速度和濃度越過(guò)勢(shì)壘區(qū)時(shí),載流子的電荷會(huì)對(duì)勢(shì)壘區(qū)中的電場(chǎng)分布產(chǎn)生影響。當(dāng)晶體管工作在大電流條件下時(shí),中性基區(qū)會(huì)變寬,基區(qū)擴(kuò)展使少子的基區(qū)渡越時(shí)間延長(zhǎng),導(dǎo)致晶體管的電流放大系數(shù)及工作頻率降低。這個(gè)現(xiàn)象稱為Kirk效應(yīng),可通過(guò)提高集電區(qū)摻雜濃度、減小集電區(qū)厚度,以及設(shè)定最大集電極電流IC減弱該效應(yīng)。3雙極功率晶體的熱壓工藝雙極大功率晶體管的特性除了受材料和工藝制作水平的限制外,最重要的是受器件圖形結(jié)構(gòu)的影響。功率晶體管的很多電參數(shù)和熱參數(shù),如特征頻率、功率增益、集電極最大工作電流、輸出功率,均與晶體管圖形結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。圖形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平直接決定功率晶體管的性能和可靠性。為了改善和提高器件的熱、電性能,雙極功率晶體管的結(jié)構(gòu)己從早期單個(gè)的、具有較大集電結(jié)面積的形式轉(zhuǎn)化為由多個(gè)相隔一定距離的小晶體管單元(基區(qū))構(gòu)成的多元胞結(jié)構(gòu)?？梢詮囊韵聝煞矫鎭?lái)提高散熱特性,從而減小最高結(jié)溫:1)擁有較多的子器件單元,從而增加基區(qū)(集電結(jié))周長(zhǎng),相應(yīng)減小熱阻;2)各子器件單元間具有較大的間距,因此熱流截面積相應(yīng)增大,溫度分布均勻性得以提高。這有利于減小芯片熱阻,提高器件的熱、電性能。目前,所有的雙極功率晶體管均采用這種多元胞器件結(jié)構(gòu)。同時(shí),應(yīng)當(dāng)注意到,由于該結(jié)構(gòu)中每個(gè)子器件單元仍然沒(méi)有擺脫發(fā)射結(jié)面積與熱流截面積相等的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式,故發(fā)射結(jié)電流集邊效應(yīng)也未能得到減弱或消除,因而每個(gè)子器件中心區(qū)域的散熱能力仍然較差,溫度也最高。引入恰當(dāng)?shù)氖釥铍姌O結(jié)構(gòu),可有效改善功率晶體管的熱電特性。3.1晶圓級(jí)分布的鎮(zhèn)流電阻如前所述,為了消除發(fā)射結(jié)電流集邊效應(yīng)對(duì)晶體管可靠性的影響,雙極功率集成電路中的NPN功率晶體管的發(fā)射極通常設(shè)計(jì)成梳狀,如圖2所示。另一種防止熱擊穿與二次擊穿、提高器件可靠性的措施是采用發(fā)射極鎮(zhèn)流技術(shù),如圖3所示,引入發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻的梳狀NPN管可等效為Q1～Q4的4個(gè)NPN管,且4個(gè)晶體管按圖3的方式連接,其中R1～R3分別為晶體管的發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻。發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻根據(jù)不同的結(jié)構(gòu),可以分為擴(kuò)散鎮(zhèn)流電阻和多晶硅分布式發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻,分別如圖4和圖5所示。當(dāng)晶體管局部區(qū)域由于電流分配不均而使流入某個(gè)小晶體管(即小發(fā)射極條)的電流比其他的大,即發(fā)生電流集中時(shí),其串聯(lián)的鎮(zhèn)流電阻上電壓降增大,而相應(yīng)發(fā)射結(jié)上的正向電壓減小,從而使該子器件的發(fā)射極注入電流(即通過(guò)這個(gè)小發(fā)射極的電流)自動(dòng)減小,最終使總電流比較均勻地分布在每個(gè)小發(fā)射極條上,防止或改善了電流集中型二次擊穿。由此可見,鎮(zhèn)流電阻的負(fù)反饋?zhàn)饔每纱蟠蠼档碗娏鞯恼郎囟刃?yīng),在很大程度上抑制了電流與溫度在局部區(qū)域的集中。傳統(tǒng)的鎮(zhèn)流技術(shù)是在各個(gè)小發(fā)射極條上串入阻值相等的均勻鎮(zhèn)流電阻。然而,對(duì)于面積較大的大功率管,即使采用鎮(zhèn)流電阻,由于管芯中心與邊緣區(qū)域散熱條件不同,溫度仍容易集中在管芯的中部。經(jīng)驗(yàn)表明,在燒毀的各類大功率晶體管中,燒毀部分一般都集中在管芯中部。對(duì)于梳狀多發(fā)射極條結(jié)構(gòu),為實(shí)現(xiàn)晶體管的熱穩(wěn)定,通常采用非均勻鎮(zhèn)流電阻使管芯溫度均勻分布。設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式為:R=(0.25～0.42)/IC。多晶硅分布式鎮(zhèn)流利用多晶硅發(fā)射區(qū)上的多晶硅薄層電阻作鎮(zhèn)流電阻,因而工藝簡(jiǎn)單。該方式使發(fā)射區(qū)各處均垂直鎮(zhèn)流,因而相對(duì)于集中式的擴(kuò)散電阻鎮(zhèn)流方式,更容易實(shí)現(xiàn)電流的均勻性。但多晶硅電阻鎮(zhèn)流也存在不利的一面,最主要是多晶硅電阻在器件使用溫度范圍內(nèi)未能表現(xiàn)出良好的正溫度效應(yīng)。圖6所示為多晶硅分布型發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻的工作原理。從圖6可以看出,晶體管越靠近發(fā)射極接觸孔的位置,發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻越小;同時(shí),越靠近基極接觸孔的位置,基極鎮(zhèn)流電阻越小,故晶體管中位置A處發(fā)射極電壓最低,基極電壓亦最低;B處發(fā)射極電壓最高,基極電壓亦最高,故位置A與B處的VEB基本相等。因此,位置A與位置B處電流分布均勻。3.2非均勻雙向鎮(zhèn)流電阻由前面的分析可知,由于擴(kuò)散鎮(zhèn)流電阻制作在發(fā)射極條的根部,無(wú)法對(duì)整個(gè)發(fā)射區(qū)各處均鎮(zhèn)流;而多晶硅電阻雖可實(shí)現(xiàn)各處均分布式垂直鎮(zhèn)流,但多晶硅電阻在器件使用溫度范圍內(nèi)未能表現(xiàn)出良好的正溫度效應(yīng),鎮(zhèn)流效果不夠明顯。為進(jìn)一步提高鎮(zhèn)流效果,可以利用擴(kuò)散電阻具有正溫度系數(shù)效應(yīng)和非線性效應(yīng)的特點(diǎn),以及多晶硅鎮(zhèn)流電阻較方便的垂直鎮(zhèn)流效果,組成非均勻雙向鎮(zhèn)流電阻。非均勻雙向鎮(zhèn)流電阻結(jié)構(gòu)同時(shí)兼顧了擴(kuò)散電阻鎮(zhèn)流和多晶硅電阻鎮(zhèn)流的優(yōu)點(diǎn)。由于發(fā)射結(jié)通過(guò)摻雜多晶硅的擴(kuò)散形成,有利于淺結(jié)器件的形成;多晶硅發(fā)射極較高的電流增益使基區(qū)摻雜濃度可適當(dāng)提高,從而有利于增大器件的線性電流和厄利電壓,減小Kirk效應(yīng);較小的re可以實(shí)現(xiàn)在減弱或消除發(fā)射極電流集邊效應(yīng)的同時(shí),不影響器件的功率增益。典型的非均勻雙向鎮(zhèn)流電阻功率晶體管版圖設(shè)計(jì)如圖7所示。該結(jié)構(gòu)利用發(fā)射極金屬條的不同長(zhǎng)度,得到各個(gè)發(fā)射極條所需的相應(yīng)分布式電阻阻值,使各發(fā)射極條具有相同的工作電流,消除了發(fā)射結(jié)電流集邊效應(yīng)的影響,其工作原理如圖7所示。3.3發(fā)射條上的電壓降當(dāng)發(fā)射極條長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)時(shí),發(fā)射極條上的壓降將不可忽略,從而給晶體管帶來(lái)發(fā)射極電流分布不均勻的問(wèn)題,如圖8所示。發(fā)射條上的電壓降由公式ΔVEB=LRSIE/2W確定?？梢钥闯?增加發(fā)射極寬度W和縮短發(fā)射極的長(zhǎng)度L,均可減小發(fā)射極的電壓偏置效應(yīng)。但增加寬度會(huì)增大基極電阻,降低開關(guān)速度,同時(shí)還會(huì)增大發(fā)射極電流集中效應(yīng)。因此,在功率管的版圖設(shè)計(jì)時(shí),通常將晶體管的發(fā)射極設(shè)計(jì)成大量短而窄的指狀結(jié)構(gòu),如圖9所示。3.4功率晶體的主要工作模式及可靠性由于功率雙極集成電路中不同用途的功率晶體管工作的模式和特征不同,可能遇到的可靠性問(wèn)題也不同,因此,需要根據(jù)工作在不同模式下的功率晶體管的特征進(jìn)行相應(yīng)的版圖設(shè)計(jì)。功率晶體管的主要工作模式及相應(yīng)的可靠性問(wèn)題有:1)線性模式,主要考慮熱崩和電擊穿,應(yīng)限制晶體管的功率密度或電流密度;2)開關(guān)模式,由于平均功耗低,極少產(chǎn)生熱斑及熱崩,主要考慮開關(guān)器件的發(fā)射結(jié)電流集邊效應(yīng),應(yīng)限制晶體管工作電流,避免開關(guān)器件二次擊穿引發(fā)的發(fā)射結(jié)電流集邊效應(yīng);3)脈沖模式,通常不會(huì)發(fā)生發(fā)射結(jié)電流集邊效應(yīng),不會(huì)形成熱斑而發(fā)生熱崩,但需限制晶體管電流密度及脈沖寬度與頻率。3.4.1基極交叉深接觸孔結(jié)構(gòu)叉指形發(fā)射極結(jié)構(gòu)晶體管版圖設(shè)計(jì)如圖10所示。該結(jié)構(gòu)采用發(fā)射極鎮(zhèn)流、基極交叉、短發(fā)射極和大接觸孔技術(shù),具有最高的工作速率,且由于發(fā)射極邊界到中心距離較短,通常情況下無(wú)電流集中效應(yīng)。3.4.2電流密度分布寬發(fā)射極窄接觸孔結(jié)構(gòu)晶體管版圖如圖11所示。該結(jié)構(gòu)避免了發(fā)射極偏離,利用分布鎮(zhèn)流、集電極交叉、基極交叉技術(shù),比十字發(fā)射極結(jié)構(gòu)具有更大的電流密度。由于該結(jié)構(gòu)發(fā)射極電流在出口端集中度降低,抗熱崩的能力大大增強(qiáng)。同時(shí),需注意,該結(jié)構(gòu)面積較大、基極電阻較大,速度比十字形發(fā)射極結(jié)構(gòu)慢。3.4.3抗熱擊穿音功能圣誕樹結(jié)構(gòu)晶體管版圖如圖12所示。該結(jié)構(gòu)運(yùn)用發(fā)射極本身作為射極鎮(zhèn)流,同時(shí),利用分布式鎮(zhèn)流和大發(fā)射極面積,抗熱擊穿能力強(qiáng),能夠很好地應(yīng)用于線性工作狀態(tài)和音頻功率放大。需要注意的是,該結(jié)構(gòu)發(fā)射極較大,易產(chǎn)生發(fā)射極電流集中。3.4.4抗二次擊穿能力十字形發(fā)射極結(jié)構(gòu)晶體管版圖如圖13所示。該結(jié)構(gòu)利用三維分布式鎮(zhèn)流和大發(fā)射極面積技術(shù),抗二次擊穿能力優(yōu)于圣誕樹結(jié)構(gòu),稍遜于寬發(fā)射極窄接觸孔結(jié)構(gòu),效率較高,適用于限流型開關(guān)工作狀態(tài)。3.5改進(jìn)的回顧原理及改進(jìn)方案設(shè)計(jì)除了上述主要的版圖設(shè)計(jì)方式之外,還需要結(jié)合實(shí)際電路需要,注意版圖設(shè)計(jì)細(xì)節(jié),如鏡向電流源由于寄生晶體管造成的輸出電流擾動(dòng),需要通過(guò)增加箝位二極管或基極鎮(zhèn)流電阻來(lái)減弱或消除。需要注意的是,鎮(zhèn)流電阻應(yīng)置于單獨(dú)的阱內(nèi),避免產(chǎn)生新的寄生NPN管,如圖14所示。在功率集成電路中,還可能出現(xiàn)由于寄生晶體管導(dǎo)致的襯底漏電增大使功率晶體管進(jìn)入飽和區(qū)的情況。可通過(guò)適當(dāng)?shù)陌鎴D設(shè)計(jì),引入新的寄生晶體管,從而消除原有寄生晶體管可能帶來(lái)的可靠性問(wèn)題。圖15所示是一種典型的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案。由圖15可以看出,在這種版圖設(shè)計(jì)方式中,寄生PNP晶體管Q1由A、D、B組成;寄生PNP晶體管Q2由A、D、C組成,寄生PNP晶體管Q3由A、D、E組成,由于寄生PNP管Q1和Q2的存在,Q3的漏電流顯著減小,從而減小了襯底漏電流,避免晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)。3.6極鎮(zhèn)流、基極交叉技術(shù)圖16和圖17所示分別為兩款具有典型代表性的DC-DC電源管理芯片功率輸出BJT的版圖設(shè)計(jì)方案。它們均采用分布式鎮(zhèn)流、發(fā)射極鎮(zhèn)流、基極交叉技術(shù)與發(fā)射極交叉技術(shù),實(shí)現(xiàn)了功率晶體管的最佳性能和高可靠性。由圖17可以看出,該芯片功率輸出晶體管各個(gè)分支晶體管發(fā)射極電壓高的部分,基極電壓也相應(yīng)高;沿著電流方向,由于基極電阻和發(fā)射極電阻的作用,發(fā)射極電壓和基極電壓均相應(yīng)降低,使各晶體管的V