（微电子学与固体电子学专业论文）射频功率晶体管研究.pdf

电子科技大学硕士学位论文 摘要 针对高频功率晶体管的特点，提出采用多种技术、方法。综合这些方法研制了 d c t 2 6 0 f 功率晶体管。这些方法包括： 1 为解决可靠性问题，设计出过温保护电路，来取代通用的镇流电阻的做法，在 温度上升至1 4 0 。c ，c m o s 温度控制电路旁路掉射频功率管的大部分基极电流， 电流不再集中，热量扩散，温度下降：当温度下降至8 7 。c 时，c m o s 温度控 制电路关闭旁路作用，射频功率晶体管回到正常的工作状态。来实现实时保护 的同时又提高了器件高频优值的目的。 2 采用内匹配网络技术，设置输入、输出匹配网络，来保持增益和传输特性的平 坦性：提高输出功率，和效率。降低反射系数，减少损耗。最终改善器件的高 频特性，利于晶体管整体的功率传输。 3 使用m e d i c i 对晶体管做关键的电学特性模拟，如：特征频率f t 、击穿电压 b v c b 0 、直流放大倍数0 等；来验证各项设计指标。 4 利用反偏的p n 结做隔离岛，环绕c m o s 温度控制电路，并将其添加到器件 内，制作在一个芯片衬底上，绘出完整的晶体管的版图。 本文通过对d c t 2 6 0 f 的设计，提出了基于c m o s 温度控制电路的高可靠性、长 使用寿命的射频晶体管的新设计思路，并成功完成前期仿真、版图工作，可望在后 续工作中完成实用化，最终实现市场推广价值。 关键词：射频功率晶体管；电流集中；可靠性；施密特触发器；高频增益；s 参量： 电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n s i d e r i n g t h ec h a r a c t e ro f h i g h - f r e q p o w e rt r a n s i s t o r , w ea d o p ts e v e r a lm e t h o d s a l lo f t h a t c a l lb ee x p r e s s e da sf o l l o w s i t oe n h a n c et h er e l i a b i l i t yo f t r a n s i s t o r , t e m p e r a t u r ep r o t e c t i o nc i r c u i ti sd e s i g n e d ， w h i c h r e p l a c e sc o m m o nb a l l a s t i n gr e s i s t o r c i r c u i tb y p a s s e st h em o s to fb a s ec u r r e n t o fr fb j tw h e nt e m p e r a t u r er i s e st o1 4 0 。c a n dc u t so f fb n , a s sf u n c t i o nw h e n t e m p e r a t u r ed r o p s f o8 7 c t h e r e f o r e r fb j t c o m e sb a c kf on o r m a lw o r k i n gs t a t e a l lo ft h a ta i m st or e a l i z ear e a lt i m ep r o t e c t i o nf o rt r a n s i s t o ra n di m p r o v et h e h i g h - f r e q c h a r a c t e ro f d e v i c e a tt h es a m et i m e 2 i no r d e rt ok e e pg a i ns m o o t h ，e n h a n c eo u t p u tp o w e ra n de f f i c i e n c y , r e d u c er e f l e c t f a c t o ra n da t t e n u a t i o n , i n n e rm a t c h i n gn e t w o r kb o t ha ti n p u tp o r ta n da to u t p u tp o r t i sn e e d e d t h a tc a nf i n a l l yi m p r o v eh i g h - f r e qc h a r a c t e ra n df a c i l i t a t et h et r a n s f e ro f p o w e r 3 - t ov a l i d a t ed i f f e r e n tt a r g e tp a r a m e t e r s ，s i m u l a t i o nw o r ki sd o n eb yu s m gm e d i c i a r o u n dc r i t i c a le l e c t r i c a l p a r a m e t e rs u c ha sc u t o f ff r e q u e n c yf r , p u n c ht h r o u 出 v o l t a g eb v c b o , d c c u r r e n tg a i nbe r e 4 r fb y rc e l la n d t e m p e r a t u r ec o n t r o lc i r c u i ta r er e a l i z e da to n es i l i c o nd i e ，w h i c hi s i n s u l a t e df r o me a c ho t h e rb yab a c kb i a sp n j u n a t i o n c i r c l e l a y o u t i sa l s od r a w n t a k et h ed e s i g no f d c t 2 6 0 ff o re x a m p l e ，an e wm e t h o db a s e do nc m o s t e m p e r a t u r ec o n t r o l c i r c u i tt oo b t a i nh i 曲r e l i a b i l i t ya n dl o n gl i f er fb j ti sp u tf o r w a r d c o m p u t e rs i m u l a t i o na n d l a y o u t i s c o m p l e t e d w i t hs u b s e q u e n tc o n t i n u o u sw o r k , u l t i m a t e l yt h a t i s c o m i n gt o b e c o m m e r c i a l i z e da n de n t e rd o m e s t i ca n d f o r e i g n m a r k e t k e y w o r d s ：r fp o w e rb j t ；c u r r e n tc o n v e r g e n c e ；r e l i a b i l i t y ；s c h m i t tt r i g g e r ；h i g h - f f e q g a i n ；sp a r a m e t e r i i 电子科技大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所傲的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：互# 赶霉一 日期：尬年仁月夕日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：珥歪：墓 f 导师签名： 写铥夏呼 日期：伽歹年年月矿日 电子科技大学硕士学位论文 第一章引言 晶体管是构成各种电子系统的基本元件，晶体管，尤其是广泛应用的射频 功率晶体管的各项性能指标矗接决定了整机系统的工作指标，所以这就对射频 功率晶体管的设计制造提出了苛刻的要求。射频频段一般是指3 0 m h z , - - 4 g h z ， i e e e 对频率做了详细的划分，如表1 1 所示。 表1 1i e e e 频谱划分 频段频率波长 e i 小( 极低频)3 0 3 0 0 h z1 0 0 0 0 - - 1 0 0 0 k m v f ( 音频) 3 0 0 3 0 0 0 h z1 0 0 0 1 0 0 k m v l f ( 甚低频)3 3 0 k h z1 0 0 1 0 k m l f ( 低频)3 0 3 0 0 她1 0 1 k r n v i f ( 中频)3 0 0 3 0 0 0 k h z1 0 1 k m h f ( 高频)3 3 0 h 王z1 0 0 = 1 0 m ( 甚高频)3 0 3 0 0 m h z1 0 l m u h f ( 特高频) 3 0 0 3 0 0 0 时z1 0 0 1 0 c m s h f ( 超高频)3 3 0 g 弛1 0 1 c m e h f ( 极高频)3 0 3 0 0 g h z1 0 1 e m p 波段 0 2 3 1 g h z1 3 0 3 0 c m l 波段 l 2 0 h z3 m 。1 5 c m s 波段2 4 g h z 1 5 7 5 e m c 波段4 8 g h z7 5 。7 5 e m x 波段 8 1 2 5 g h z3 7 5 2 4 e m k u 波段 1 2 5 1 8 g h z2 4 1 6 7 c m k 波段 1 8 2 6 5 g h z1 6 一1 1 3 c m k a 波段2 6 5 4 0 g 1 1 3 0 7 5 e m 毫米波4 0 3 0 0 g h z 7 5 1 m m 亚毫米波3 0 0 3 0 0 0 g h z 1 , - - 0 1 m m 硅平面工艺的兴起，开辟了射频功率晶体管的广阔前景，使得长期以来在 制作射频大功率晶体管这一难题上出现了新的曙光。从此品种繁多的各种功率 管大量的应用至0 通讯和雷达设备中，如用作发射电路中的功率放大器，倍频器 和振荡器等。由于硅材料的容易获得和硅晶体管的一系列优点( 如能工作在较 电子科技大学硕士学位论文 高温度，具有小的反向电流和耐压特性等) ，因而近几十年来硅功率管的市场占 有率远高于锗功率管。近十年来，理论研究的深入，各种材料质量的提高和制 作工艺的不断更新，大功率晶体管的功率容量，耐压和大电流特性，频率特性 和应用的可靠性都有了极为显著的提高，不仅出现了数千瓦级的超高功率容量 的功率管，而且也成功的制作出了电流容量为5 0 0 6 0 0 a 的大电流晶体管和万伏 级的超高压晶体管。在射频和微波晶体管的制作方面，更有了新的飞跃，陆续 出现了3 0 0 m h z 下输出1 0 w ，5 0 0 0 mh z 输出5 w 和8 0 0 0 m h z 下输出1 w 的 大功率晶体管。由于高压管的出现，使得全晶体管化的电视机的制作成为可能， 制作集电极一基极击穿电压高于1 5 0 0 v 的电视水平偏转用的高压晶体管，今天对 器件制造者来说已经不是难事了。在工业自动控制系统如电源，变换器， 调制器和伺服放大器中，大功率晶体管同样得到了广泛的应用。 总之，射频、微波功率晶体管有着最为广泛的市场运用，其研究价值颇为 明显。 射频大功率晶体管性能突出要求体现在 1 】【2 】： ( 1 ) 高的极限工作温度；( 2 ) 小的热阻；( 3 ) 小的饱和压降或饱和电阻；( 4 ) 工作稳定可靠；( 5 ) 大电流容量；( 6 ) 高耐压；( 7 ) 好的频率特性； 然而，功率与频率，增益与频率的矛盾自始至终都一直存在，如何在保证一个 参量一定的工作指标下，尽量提高另一个参量的工作指标，这一直是器件设计者必 须要考虑的问题。这里我们做了一个大胆而富有建设性的设想，设计出过温保护电 路来取代通用的镇流电阻，在对器件实现实时保护的同时又提高了器件高频优值； 在一定频率下，为获得高的器件增益指标，我们又进行在镇流电阻旁边旁路电容的 尝试；为了使器件有良好的功率传输性能，内匹配网络必不可少，通过史密斯圆图 等工具，完成了设计。 本文正是根据这些要求，结合设计工作指标，来完成一个具有较高性能的射 频功率晶体管的设计。 2 电子科技大学硕士学位论文 2 1 晶体管设计概述 第二章理论基础 对晶体管的设计要求体现在各项电学参数和使用测试试验两部分 1 。 晶体管的电学参数大致可分为四类。 ( 1 ) 直流参数包括：反向饱和电流i c b o ；饱和压降v c e s 、v b e s ； 电流放大系数b 。 ( 2 ) 极限参数包括：击穿电压b v c e 0 、b v c b o ；最大集电极工作电 流i c m “； 最大耗散功率p c m 。 ( 3 ) 交流参数f t 、r b b 一、c o b ( 共基极输出电容或集电极总电容) 。 ( 4 ) 特征参数包括：1 高频功率管、k p 、f i 和工作频率f 2 高频 低噪声管士岵、f t 和k p 。 对使用测试试验的要求则有： ( 1 )结构试验振动、冲击、离心加速、高频振动等。这类试验主要 检验其机械可靠性。 ( 2 )环境试验高低温循环、高低温试验、温度试验等。 ( 3 )老化试验高温储存、加速寿命等。 ( 4 )抗辐射能力试验。 要完成一个晶体管的设计需要掌握两方面的内容：一是使用要求；二是生 产工艺水平。在充分分析电学参数和工艺水平的基础上，就可以开始进行晶体 管的初步设计，其内容主要有以下几个方面。 ( 1 ) 纵向结构设计，即材料和扩散参数的设计包括：基片的电阻率和厚 度；外延层的电阻率p 。和厚度w 外；集电极结深x j 。；发射结结深。j 。；淡硼 基区扩散表面浓度n b s ；浓硼区扩算表面浓度n b s ；发射区扩散表面浓度n e s 电子科技大学硕士学位论文 等。 ( 2 ) 横向参数设计，即管芯图形设计包括：几何图形的选择和决定；发 射极条长1 。和条宽s 。；发射极条的数目n ；基极欧姆接触条与发射极边缘问的 最小距离s b ；发射区面积a e ；集电极面积a c 。 ( 3 ) 热学设计和管壳选择包括：最高结温t j m ；热阻r t ；管壳选取等， 亦要同时考虑管芯散热的均匀性和管芯安装等问题【】 。 2 2 晶体管的高频特性 3 4 2 2 1 特征频率 由晶体管的特征频率公式【1 2 厶= 1 ( 2 舸。) = 1 2 石( r , + f + f 6 + f 6 + f b + f 。+ f d ) ( 2 1 ) 其中，t 。：发射极一集电极总的渡越时间 tc ：发射区延迟时间，t = z ：2 风卢 te b ：发射结势垒充放电时间常数：吃= y , c 。 - b c ：集电结势垒电容经基极充放电时间常数，= 以c r c ：基区平均渡越时间，= 孵艰巩，大注入时叩= 4 h ：基区渡越时间修正，气= ( 均匀基区晶体管) t 。：集电结势垒电容经集电区充放电时间常数，r 。= c 。 td - 集电结耗劲层延迟时间，2 d = 0 2 由此可见，要提高f t ，应尽量使各时间常数减小，这要求： 1 w b ：基区宽度尽量减小，一般在o ，1 _ o 2 5 u m 之间。过小的w b 会由 于基区宽度的调制效应而降低线形度和耐二次击穿能力。 2 x 发射结结深应浅，一般在o 1 0 2 5 u r n 之间。 3 h k ：集电区掺杂浓度应较高，以减小集电结耗尽层延迟时间td ；但 应兼顾耐压要求。 电子科技大学硕士学位论文 4 c r e ，c t c ：发射结势垒电容和集电结势垒电容要求小。因而发射结的 面积和集电结的面积要小。因此要求具有较高的发射极图形优值l e a e 和集电 极图形优值l d a c 5 y “：集电极的电阻要小，同时，。c 要小，一般集电极采用双层外延 层。 6 bo ：共射极短路电流放大系数应较大，因而发射区掺杂重于基区，但 也不宜过度。否则能带变窄，d e 下降，注入效率变低，结漏电流增加。 7 r 。：发射极串联电阻应小，因而应减小电极电阻和接触电阻，设计适 当镇流电阻。 2 2 。2 高频优值 5 对于射频晶体管，要求有较大的高频优值( 共发射极应用) 【1 ， 2 m = 矗= k p 厂2 = 矗 8 窟( 6 + 砺上。) c 。】( 2 2 ) 其中，f m ：最高振荡频率，即k ，= 1 时工作频率 k p ：功率增益；靠：特征频率；l e ：发射极弓f 线寄生电感 r b b ：基极串联电阻，包括引线电阻，接触电阻，有源，无源基区电阻 c 。= c m + c 。( p a d ) ：基区一集电极电容，c t c 为集电极势垒电容， c o b ( p a d ) 为集电极延伸电极电容 对于梳状结构晶体管 = 去( 等+ 竽) ， 其中，1 1 发射条数目l 。：发射区长度 s 。：发射区条宽s b ：发射区基区间距 r b l ：有源基区方块电阻r b 2 ：无源基区方块电阻 水跫= 警妻( 嚣+ 割1 ( 2 - 4 ) 其中，e 。：硅介电常数，oc ：集电区耗尽层宽度 f c = l f a c ：集电区图形优值，l e = 2 n l 。：发射区总周长 因此，为提高高频优值k p f 2 要求： 1 s 。，s b 发射极条宽及基极间距应尽量小 2 f c 集电区图形优值应较大，以减小势垒电容，扩散电容及寄生电容。 电子科技大学硕士学位论文 ，k 寺瓮蒯、。 4 n b 基区杂质浓度适当提高，可降低基极电阻，减弱发射极电流集边效 应，有利于提高线性输出功率。但将降低发射极注入效率，增大te b 。 5 l 。：发射极引线寄生电感应尽量减小。 2 3 功率特性 晶体管工作在大信号时，内部许多物理效应不同于小信号的运用，从而晶 体管参数也有别于小信号。 2 3 1 大注入效应 当电流i e 、i c 增加时，基区少子也将增加，少子浓度增加到可以和基区参 杂浓度n e 相比拟或超过时，称为大注入情形。 大注入下基区少子与多子浓度处处相等，非平衡载流子产生的客观上阻止 多子流动的电场，虽然使多子产生了和扩散运动大小相等方向相反的漂移运动， 但却使少子产生和扩散运动大小相等方向相同的漂移运动，等效于使少子扩散 系数增加了一倍，因而少子在基区的渡越时间为均匀基区晶体管小注入下的 半，即有： = 赡4 见 ( 大注入) ( 2 - 5 ) 大注入下注入效率与i c 有关，从而使得电流放大系数随工作点变化【1 】： 卢= 叭蔷+ 砑d e 簪卜糌c 大， 上式说明大注入时随i c 的增加，b 下降。i c 增加到很大的时候，1 3 与i c 成反比。 2 3 2 大电流下的基区扩展效应( k ir k 效应) 从发射结经过基区达到集电结的少子，在集电结势垒中成为一种空间电荷。 大电流下这些少子电荷的作用变的突出。强电场下，电流很大的时候，集电结 耗尽层将由基区一集电区的p n - 界面处移动到集电区的n 矿界面，使得中性基 区的宽度明显增加，渡越时间增加，电流放大系数和特征频率降低。 电子科技大学硕士学位论文 强电场下基区扩展宽度为： ： 1 一阮一g y u c ) ( j 。一g 。c 难、 ( 2 - 7 ) 其中，i 晦界电流密度以，= q v 。 2 c & c ( q 孵) + cj ，j c 为集电极电流密 度。微波线性功率晶体管大电流下一般发生上述强电场的基区扩展效应。对于 n 外延层很厚而且电压又低的功率晶体管，一般先发生弱电场基区扩展效应。 当发生基区的纵向扩展时，基区在集电结势垒区边的少子浓度已不是很小， 因此必然向周围的非工作基区扩散，使基区的有效宽度变大，由于横向扩展， 使边缘部分的少子渡越基区的距离和时间增加，从而输运系数和电流放大系数 将随着电流的增加而下降，在交流小信号的作用下，集电极电流除固定的部分 ( 偏置) 外，还有部分变动的部分( 交流电流) 。根据上述电流密度不变的假设， 当电流有变动时，有效集电结面积a c 必须作相应的变动。 2 3 3 发射极电流集边效应 由于基极电流通过基极电阻产生压降，晶体管发射结各部分的偏压呈分布 形式。而发射结电流随发射结偏压增加近似呈指数增长。大电流工作时基极电 流通过基极电阻产生的压降更大，使得发射结电流极不均匀，距基极接触最近 的发射结边缘电流密度最大，距离较远处电流密度下降很快。这种现象称为发 射结电流集边效应。 集边效应使得晶体管各部分的电流放大系数不相等，加大了晶体管的非线 性失真；而且使得发射极条宽不能充分利用，降低了电流容量，使得电流容量 不再与发射结面积成正比，而是与发射极周长成正比。 要降低集边效应必须降低有源基区电阻率。在晶体管设计时，发射极条宽 应两倍于集边宽度；但过宽的发射极条其大部分面积只是增加结电容c 砘和 c v c ，使得截止频率下降。 2 3 4 基区电导调制效应 大电流情况下，注入到基区的少子增多，为保持基区内部电中性，在基区 内需要引进同等数量的多子，这就使得基区载流子浓度增加，电导率增加，即 基区电导率受到工作电流的调制，称为基区电导调制效应。 7 电子科技大学硕士学位论文 此效应使得发射极注入效率下降，也使得基区体内的复合几率增加。这两 种副作用的后果都使得放大系数a 、b 下降。 可用下式表示基区电导调制效应对电导率的影响： ob 一( 1 + m ) o 。 ( 2 - 8 ) 式中，o 。：有调制效应的基区电导率，o 。：无调制效应的基区电导率。 则调制系数： m = w b ub i e ( a e d b ob )( 2 9 ) 式中，“：基区多子迁移率。d b ：基区少子扩散系数 可见要减小基区宽度。 2 3 5 二次击穿 二次击穿是射频功率晶体管损坏的重要原因，在电抗性负载或大电流开关 电路中尤其如此，这己成为影响功率晶体管安全使用和晶体管可靠性的个重 要因素。同时二次击穿使晶体管的工作电压和使用频率受到很大的限制。 当晶体管的电压v c e 增大到一次击穿电压时，集电极电流剧增；v c e 进一 步增大到一个临界值时，晶体管上的压降突然降低，但是电流依然继续增大， 出现负阻现象，这时的击穿称为是二次击穿。 引起二次击穿的主要原因是电流集中型二次击穿和雪崩注入型二次击穿。 2 3 5 1 电流集中型二次击穿( 正向二次击穿) 这是在i b 0 时发生的二次击穿。由于发射极电流集边效应或结本身掺杂的 不均匀或者各种缺陷等因素，使得集电结结面电流不均匀，电流局部集中，由 此产生局部过热的结果加重了电流集中程度。这种正反馈过程使得在电流局部 集中处迅速形成过热点，从而在该处熔毁，发生二次击穿。解决电流集中型二 次击穿的方法是采用发射极镇流电阻，一般设在发射极指条与发射极电极之间。 由于镇流电阻的存在，电流增大时镇流电阻上的电压增加，从而降低发射极条 上的电压，降低发射极条上的电流。可见镇流电阻起到负反馈的作用。 镇流电阻的设计： 双极器件稳定的工作，首先要满足热稳定性条件 6 ： 7 一7 1 ，r s = 二二- 旦- = 上 一l o d b c b 击穿电压：b 日d = 7 0 v 3 2 纵向参数设计 1 外延材料的选取，低阻衬底的目的是保证管芯有足够的机械强度，同时又 要尽量减小其厚度和电阻率以及降低r c 。，和r t 。为了减小衬底杂质向外延层的 反扩散，要考虑衬底掺杂杂质，尤其在微波晶体管中，因要求外延层厚度很薄， 故要求外延层与界面处杂质浓度要接近突变。一般衬底厚度为1 0 0 1 5 0 u r n 左右， 由于锑的扩散系数较磷小，故可以采用掺锑衬底，在这里我们厚度选为1 0 0 u m 。 外延层电阻率pc 的选取 外延层电阻率pc 直接决定b v c b o 的大小；其次为了获得较低的集电极电流 电子科技大学硕士学位论文 密度和满足特征频率要求，应在满足耐压的前提下，适当降低pc ；已知c b 击 穿电压b v c b 0 - 7 0 v 根据s i 单边突变结雪崩击穿电压公式： b = 6 8 4 x ( 1 6 x 1 2 5 p 。) 丑 从这个式子我们解得oc = 0 5 2 f 2 c m 实际考虑平面结效应， 些，因此我们取1 2 q c m 根据公式 口：土：j 一：1 2 p 2 i q u n c 盯 代入 u = 1 2 0 0 c m 2 v s 和q = 1 6 x 1 0 ”c 得到集电区掺杂浓度n c = 5 1 0 ”c m 。 在：e 作电压下集电结的耗尽层宽度 舻匿 ( 3 1 ) 必须将pc 取大 ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) 将数据都代入，我们可以解得xc = 2 5 u m 外延层的厚度必须保持在最大集电极电压b v c b o 时外延层未穿通 当取集电极电压为7 。v 时，z c p = 、1 6 2 x 1 0 1 - 1 0 9 4 5 5 x 7 0 1 矿“4 , t u n 2 基区宽度 晶体管的电流放大系数，基区穿通电压，特征频率，功率增益，线性度等电学参 数都与基区宽度有密切关系，对于高频功率管，与基区宽度有关的主要参数是特征 频率( 功率增益，高频优值) 和基区穿通电压。 特征频率 五= 1 2 胛。= 1 2 7 r ( r 。+ f 曲+ f 6 + 彳6 + f 曲+ f 。+ f j ) ( 3 - 4 ) 由f f l g h z 高频时，大致有 兰与1 三) k 于是= 厮兰扛而= 0 2 8 t r n ( 3 - 5 ) ( 3 6 ) 基区宽度w b 还由穿通电压b v c b o 决定，查表可得在最大集电极工作电压时集 电结耗尽层在基区一侧的宽度比盯，可以估算基区宽度下限： w b o w c = o 0 3 + 2 4 = 0 0 7 2 u r n 电子科技大学硕士学位论文 折中考虑工艺因素及基区电导调制效应，基区扩展效应等因素的影响，取 基区宽度w b = o 3 u m 3 结深 在结深w b 决定后，我们就有z 。= z 。+ 。由于外延层表面不可避免的 存在着机械损伤层，如果x c 太浅，则双结( 发射结) 就有可能位于机械伤层 内，这样将导致反向击穿电压降低，再者x 。太浅会由于从基区注入发射区的 空穴电流增大而导致注入效率的降低。x j e 太深会在制造过程中精准控制基区 宽度w b 的难度增大，这样会使得生产成品率下降，再者在微波功率管中x 。 太深会导致基区渡越时间t b 增大，从而使f t 下降。这是因为在发射区宽度s 。 不满足远大于x j e 时，发射结已不能看作是一个平面结，而是个曲面结。 击穿电压与结深的关系最为密切，它随着结深变浅曲率半径减小而降低。 因而为提高击穿电压要求结深一些，但结深又受条宽限制，一般由基区宽度可 以按下述关系确定： 发射结结深： 因为，x i c = w b = 0 3u l 1 1 ，通常取x j c = 2 w b ，所以xi e = 0 6l l n l t 4 基区发射区分布的表面浓度 基区和发射区的杂质浓度及杂质分布的情况主要影响晶体管的注入效率和 基极串联电阻。减小基极电阻要求提高基区平均杂质浓度：同时提高基区平均 杂质浓度也有利于减小基区宽变效应和基区电导调制效应，提高注入效率要求 减小r 凸e e ，最大发射区和基区浓度差别，一般要求表面浓度相差两个数量级 以上，而发射区表面浓度受到重掺杂效应的限制。 选择基区表面浓度为1 x 1 0 ”c m 4 ，此晶体管对线性放大的要求，使得卢较 大，因此发射区表面浓度至少为基区的1 0 0 倍，这就意味着，发射区的表面浓度 应为1 0 2 1 c m ，而我们采用外延基区的方法，因此基区的杂质浓度经过换算， 得到均匀掺杂浓度为2 1 0 ”c m 一。 计算可以得到平均电导率，计算得 有源基区方块电阻r = l ( 口l 黟名) = 1 ( 1 6 x o 3 x 1 0 “) = 2 0 8 3 c 1 ( 3 - 7 ) 无源基区方块电阻r o 既= 1 ( o r 2 z j c ) = 1 ( 1 6 x o 6 x 1 0 - 4 ) = 1 0 4 1 f ( 3 8 ) 5 外延层厚度w 的确定： 实际的平面结的行为介于突变结和线性缓变结之间，通过计算有： n c n = 5 x 1 0 ”1 0 ”= 5 x 1 0 。 电子科技大学硕士学位论文 矿v 厂= 7 0 5 1 0 ”= 1 4 x 1 0 “4 x j c = 0 6u l n 查表可以得到o 。= 8 u m w 。j c + o 。1 = 8 6 u r n 考虑到其他因素的影响，我们可以取外延层厚度w 为1 0u l n 如果我们考虑采用n n 双层外延层结构： 取n - 层电阻率pl = 1 2 q c m ，厚度为5u m 取n 层电阻率p2 = o 2 6 q c m ，厚度为5u i n 3 3 横向参数设计 1 晶体管图形结构 采用既具有较高的图形优值，又具有较低工艺难度的树枝状( 鱼骨状结构) 。 参见版图 我们将用六个完全一致的单元装在一个管座里，均分功率，形成共发射极推 挽管。 2 发射区总周长 射频功率管的发射极单位条长的电流容量受集边效应，强电场基区扩展效 应和线性度的限制。 强电场基区扩展临界电流密度： 以一邓l 等+ 虬 p 2s，。一19ss，。6i；：；：i；i；!端+s。15i = 7 6 0 0a c m 2 单位条长电流容量： 护：m 俘等争= 1 0 5 a 删 p - 但考虑到线性度的需求，此时i o 一般取到0 3 0 4 a c m 。因此我们折中取 i n = o 3 7 a c m 电子科技大学硕士学位论文 又因为设计参数中我们知道i c m a x = 3 a ，所以发射极总周长应为 r k = 鲁些= 8 i c m 。实际上留有一定的余量，因此我们取l e = 8 2 e r a l o 3 发射极条宽 大注入下发射极有效半宽度为： y o = 阿哥b 再 ( 3 - 1 1 ) 代入数据，推得y o = 1 2 3 u r n 。又因为发射极条宽s o 2y o ，考虑到光刻工艺的要 求，我们取s 。= 3u f i l 4 发射极条长 根据l d s o = 3 4 ，我们取比值为3 ，因此发射极的条长为9 u m 5 基极条宽度取为3 u m 6 根据发射极总周长和发射极条长条宽，我们可以定出，管芯分为6 个单元， 每个单元有2 0 个发射极，每个有2 4 条枝条，具体的版图如图8 7 所示。图8 8 为整个晶体管的全貌图，一个单元的版图如图8 7 所示。我们可以验证一下总 周长，取发射极之间的距离为8 个t l i t l ，这样发射极的总周长为2 4 x 2 1 2 0 x 6 + 8 2 2 2 0 6 = 8 1 6 0 0 u m 即8 2 e m ，符合设计要求。 7 设计总结 发射极总周长：8 1 6 0 0u n l 基区集电区总面积：2 2 0 3 2 0 1 1 1 1 1 2 发射区图形优值l g a e = 1 0 4 9 3 c m 3 4i ) c t 2 6 0 f 电参数估算 3 4 1 特征频率 发射区总面积：7 7 7 6 0 u m 2 集电区图形优值l b 恤= 3 6 5 8 e m 1