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文档简介

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 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、交流参数和极限参数三大类。 1、直流参数 (1)共射电流放大系数:主要与Wb、NB(基区平均杂质浓度)、NE(发射区平均杂质浓度)有关; (2)反向饱和电流ICBO、ICEO、IEBO:主要由寿命,空间电荷区宽度xm(N)决定; (3)饱和压降VCES:主要与rb(Wb、NB)和rCS(NC、WC、AC)有关; (4)输入正向压降VBES:主要与rb(Wb、NB、)有关。,2交流参数 (1)特征频率fT:由传输延迟时间eC决定, e (Ae、NE)、b(Wb、NB)、c(Ac、NC)和d(NC); (2)功率增益GP:主要由fT、Cc(AC、Apad)和rb(Wb、NB)决定; (3)开关时间ton和toff:主要与Ae、AC、基区和集电区少子寿命和集电区厚度WC有关; (4)噪声系数NF:NF主要由rb和fT决定。,3极限参数 (1)击穿电压BVCEO、BVCBO、BVEBO:BVCBO主要由NC、WC和xjC决定,BVEBO主要由发射结侧壁基区表面浓度决定; (2)集电极最大电流Icm:与发射极总周长LE、集电区杂质浓度NC有关; (3)最大耗散功率Pcm:主要与热阻RT(基区面积Ab、芯片厚度t)有关; (4)二次击穿耐量ESB:主要与NC、WC和镇流电阻RE有关。 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。,(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GP、fT、BVCBO、Pcm和Icm等;而高速开关管的主要电学参数则是ton、toff、VCES和VBES。 1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。,2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。 3正确处理技术指标和经济指标间的关系。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,便于降低对工艺的要求,提高产品成品率。 4在进行产品设计时,一定要考虑器件的稳定性和可靠性。,(四)设计步骤和设计内容,1设计步骤: (1)根据使用要求选定主要电学参数,确定主要电学参数的设计指标。 例如:若用户要求晶体管在频率f=400MHz,电源电压Vcc=28V,转换效率=40%时,具有5W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GP、fT、BVCBO、Pcm、Icm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P0和即可确定耗散功率PcmP0/=12.5W,由使用频率选取fT 1.5f= 600MHz等。这样,可将主要电学参数依次确定下来。,(2)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。 (3)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。 (4)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。,2主要设计内容包括: (1)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Wc,基区宽度Wb和扩散结深xj等 (2)根据设计指标确定器件的图形结构,设计器件的图形尺寸,绘制光刻版图。 (3)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。 (4)进行热学设计,选取封装形式,选用合适的管壳和散热方式。,(五)晶体管设计举例,1设计指标: 工作频率f为400MHz,输出功率P0为40W,工作电压VCC为28V,效率为40,功率增益GP为5dB。 2总体设计: 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4个管芯。,2019/4/20,14,可编辑,3纵向结构设计: (1)集电区杂质浓度: 在甲类工作状态下,BVCEO2VCC56V,将BVCEO代入下式 取25,n=4,可得BVCBO126V,NC41015cm-3,因而选取PC11.2.cm。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,实际击穿电压BVCBO只能达到7080V。,(2)集电区厚度: 将BVCBO80V代入下式 算得WC5.1m。从提高二次击穿耐量出发,将代入下式 可得WC7m。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。首先生长一层杂质浓度高于NC,厚度大于3m的过渡层,再生长NC41015cm-3,厚度为56m的Si层以满足击穿电压要求。,(3)基区宽度: 为了满足器件工作频率要求,选取fT/f1.5,由此得fT600MHz。此时,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NB21017cm-3,代入下式 得,Wb0.76m。 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0.5m Wb0.76m,兼顾器件的频率特性和成品率,选取Wb0.7m。,(4)扩散结深 根据 , ,可选取xje=Wb=0.7m,xjc=2Wb=1.4m。,4横向设计:,(1)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Icm由输出功率P0和电源电压VCC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Icm1.5A。 线发射电流可按下式计算, 也可按经验选取,下面是常用的一组经验数据 I00.8-1.6A/cm(f=20-400MHz);I00.4-0.8A/cm(f=400MHz-2GHz);I01.6-4A/cm (开关晶体管)。 对于外延平面晶体管,当基区宽度较窄时,集电极最大电流由基区扩展效应临界电流密度Jcr决定, 则,I00.63A/cm。该机算值正好在经验取值的范围内。可得发射极总周长为2.38cm。,(2)单元图形尺寸: 发射极有效条宽: 为了提高成品率,可se选宽一点。按经验数据,当fT=400MHz-600MHz时,se可选612m。本例按光刻精度h3m进行选取,取发射极引线宽度为6m,则发射极条宽se12m。,(3)单元发射极条长: 若浓基区条宽按最小尺寸选取,则sb6m。可得有效条长 实际取le=76m leff。也正好在经验取值(48)se范围内。,(4)发射极条数: 取n160。 (5)发射极引线孔尺寸: 引线孔按光刻精度选取为6m ,且为了制版和光刻容易对准,长度方向的套刻间距取9m,因而发射极引线孔的尺寸为586m 2。,5镇流电阻,6主要电学参数验算 7光刻版制作 8制造,作业与考核要求,1、每36人一组(按学好排列),每组一个题目; 2、设计报告:手写(不少于10页); 3

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