晶體管設計-2013-胡課件

課程設計及設計性試驗

－晶體管設計一、引言（二）各個物理、幾何參數對器件特性的影響

雙極晶體管的主要電學參數可分為直流參數、交流參數和極限參數三大類。

1、直流參數（1）共射電流放大系數β：主要與Wb、NB（基區(qū)平均雜質濃度）、NE（發(fā)射區(qū)平均雜質濃度）有關；（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；（4）輸入正向壓降VBES：主要與rb（Wb、NB、）有關。2．交流參數（1）特征頻率fT：由傳輸延遲時間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）開關時間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；（4）噪聲系數NF：NF主要由rb和fT決定。3．極限參數（1）擊穿電壓BVCEO、BVCBO、BVEBO：BVCBO主要由NC、WC和xjC決定，BVEBO主要由發(fā)射結側壁基區(qū)表面濃度決定；（2）集電極最大電流Icm：與發(fā)射極總周長LE、集電區(qū)雜質濃度NC有關；（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；（4）二次擊穿耐量ESB：主要與NC、WC和鎮(zhèn)流電阻RE有關。

晶體管的各電學參量之間是相互有關的，而且電學參數隨結構參數的變化關系也相當復雜，甚至出現相互矛盾。

2．任何一個好的設計方案都比須通過合適的工藝才能實現。因此，在設計中必須正確處理設計指標和工藝條件之間的矛盾。設計前必須了解工藝水平和設備精度，結合工藝水平進行合理設計。

3．正確處理技術指標和經濟指標間的關系。設計中既要考慮先進的技術指標，也要考慮經濟效益。否則，過高的追求先進的技術指標，將是成本過高。同時，在滿足設計指標的前提下，盡可能降低參數指標，便于降低對工藝的要求，提高產品成品率。

4．在進行產品設計時，一定要考慮器件的穩(wěn)定性和可靠性。（四）設計步驟和設計內容

1．設計步驟：（1）根據使用要求選定主要電學參數，確定主要電學參數的設計指標。例如：若用戶要求晶體管在頻率f=400MHz，電源電壓Vcc=28V，轉換效率η=40%時，具有5W的功率輸出。用戶需要的晶體管屬于高頻大功率管，主要電學參數為GP、fT、BVCBO、Pcm、Icm等。確定了主要電學參數后，設計者的首要任務是確定設計指標。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，可將主要電學參數依次確定下來。

（2）根據設計指標的要求，了解同類產品的現有水平和工藝條件，結合設計指標和生產經驗進行初步設計。（3）根據初步設計方案，對晶體管的電學參數進行驗算，在此基礎上，對設計方案進行綜合調整和修改。（4）根據初步設計方案進行小批量試制，通過邊設計，邊試制，暴露問題，解決矛盾，修改和完善設計方案。（五）晶體管設計舉例1．設計指標：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．總體設計：因為器件的功率大，頻率高，發(fā)射極條細，且條數很多，不可能將全部發(fā)射極條放在同一個基區(qū)內，因此要將器件分割成幾個子器件，最后在管殼內進行功率合成。本例分成4個管芯。3．縱向結構設計：（1）集電區(qū)雜質濃度：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。由于在淺結器件中擊穿首先發(fā)生在結面彎曲的電場集中處，考慮曲率半徑的影響后，實際擊穿電壓BVCBO只能達到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。首先生長一層雜質濃度高于NC，厚度大于3μm的過渡層，再生長NC≤4×1015cm-3，厚度為5－6μm的Si層以滿足擊穿電壓要求。

（4）擴散結深根據，，可選取xje=Wb=0.7μm，xjc=2Wb=1.4μm。4．橫向設計：

（1）發(fā)射極總周長：發(fā)射極總周長由下式決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)射電流可按下式計算，也可按經驗選取

下面是常用的一組經驗數據

I0＝0.8-1.6A/cm（f=20-400MHz）；I0＝0.4-0.8A/cm（f=400MHz-2GHz）；I0＝1.6-4A/cm（開關晶體管）。對于外延平面晶體管，當基區(qū)寬度較窄時，集電極最大電流由基區(qū)擴展效應臨界電流密度Jcr決定，

則，I0＝0.63A/cm。該機算值正好在經驗取值的范圍內。可得發(fā)射極總周長為2.38cm。

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

實際取le=76μm<leff。也正好在經驗取值（4－8）se范圍內。

（4）發(fā)射極條數：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準，長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．主要電學參數驗算7．光刻版制作8．制造作業(yè)一班