（电路与系统专业论文）一种高性能双极晶体管的结构研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 双极高频器件已大量应用于军用、民用电子设备中，其典型应用主要 在通信、雷达( 含导航) 和电子对抗领域。全固态电子设备的体积、重量、 性能、价格和可靠性很大程度上都取决于双极功率器件及放大器性能，因 此提高该类器件的性能具有很大的应用价值和现实意义。在制作单片低噪 声放大器时，虽然g a a s 和s i g e 同硅相比具有很多优点，尤其是较高的频 率范围，但是硅双极器件在较低的频率范围仍然占有优势。工作频率低于 4 g h z 的硅双极晶体管为许多电子设计提供了可靠而低廉的设计方案。目 前我国发展硅双极工艺技术的m m i c 方面取得了很大成就。 双极晶体管独特优点： 优越的工作速度 优越的驱动能力和跨导 优越的阈值电压可控性 优越的噪声性能 在功耗不受限制的集成电路中，双极电路的速最快。 缩小器件尺寸仍然是提高双极器件性能的必然途径。本论文就采取先 进的双层多晶硅自对准工艺来缩减晶体管的尺寸来提高双极晶体管的速 度。根据模拟集成电路国家重点实验室的工艺不能够做深槽隔离，所以采 用沟阻隔离。本课题目标采取特征尺寸为1 微米的工艺使晶体管的f t 达到 1 0 g h z 。最后开发出多晶硅发射极，浅结薄基区，e b 侧墙氧化物自对准 隔离的形成，沟阻隔离等技术的高性能晶体管，模拟器件最高特征频率1 0 g h z ，最后流片测试最高特征频率为9 5g h z ，基本上和预计目标相差不 大。最后作出采用本论文设计的双极晶体管作出满足性能指标的m m i c 低 噪声放大器，稳定性能好，带宽为1 4 8 g h z ，增益为2 3 ，2 d b 。 关键词：双极晶体管，特征频率，噪声系数，多晶硅，自对准 重庆邮电大学硕士论文摘要 a b s t r a c t h i g h f r e q u e n c ya n dm i c r o w a v eb i p o l a rp o w e rd e v i c e sh a v eb e e nl a r g e l y a p p l i e di nm i l i t a r ya n dc i v i le l e c t r o n i ce q u i p m e n t ，m a i n l yi nc o m m u n i c a t i o n ， r a d a r ( i n c l u d i n gn a v i g a t i o n ) a n d e l e c t r o n c o n f r o n t a t i o nf i e l d s i n c et h e p a r a m e t e ro ff u l l s o l i de l e c t r o n i ce q u i p m e n ts u c ha sv o l u m e ，w e i g h t ，p r o p e r t y , p r i c ea n dr e l i a b i l i t ye t c m o s t l yd e p e n d so nh i g h f r e q u e n c ya n dm i c r o w a v e b i p o l a rp o w e rt r a n s i s t o r sa n dt h e i ra m p l i f i e r s ，s o i th a sg r e a tv a l u ea n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et o d e v i c e st h e i r p r o p e r t y i nd e s i g n i n gam o n o l i t h i c m i c r o w a v ea m p l i f i e r ，a l t h o u g hg a a sa n ds i g eh a v eal o to fa d v a n t a g e st h a n s i s ib j t ( b i p o l a rj u n c t i o nt r a n s i s t o r ) i so fb e i n gp r e d o m i n a n tw i t h i nt h e r a n g eo fl o wf r e q u e n c y u n d e rt h ef r e q u e n c y o f4 g h zs i b j t ( b i p o l a r j u n c t i o nt r a n s i s t o r ) s u p p l i e sc r e d i b i l i t ya n dc h e a p n e s sd e s i g n i n gp r o j e c tw i t h e l e c t r o n i cd e s i g n i n g n o wi nd e v e l o p i n gm m i co fb j tp r o c e s so u rc o u n t r y a c q u i r e sag r e a to fa c h i e v e m e n t s p e c i a lv i r t u e so fb i p o l a rj u n c t i o nt r a n s i s t o r ： s u p e r i o rw o r kr a t e s u p e r i o rd r i v i n ga b i l i t ya n ds t r i d i n gg u i d e s u p e r i o rc o n t r o l l a b l ev o l t a g eo ft h r e s h o l dv a l u e s u p e r i o rn o i s ep e r f o r m a n c e t h ec o n d i t i o no f u n l i m i t e dd i s s i p a t i o np o w e r ，i ni n t e g r a t ec i r c u i t s ，t h e c i r c u i t so fb j ti st h eb e s tf a s t s c a l i n gd o w ni s a l lt h es a m et h en e c e s s a r ya p p r o a c ho fi m p r o v i n g b j t ( b i p o l a rj u n c t i o nt r a n s i s t o r ) t h ep a p e ri m p r o v e st h er a t eo fb j tb y r e d u c i n gt h eb j ts c a l ei nd o u b l ep o l y s i l i c o ns e l f - a l i g e n dp r o c e s s b e c a u s et h e p r o c e s so f n a t i o n a ll a b o r a t o r yo f a n a l o gi n t e g r a t e dc i r c u i t sc a nn o tc a r r yo u t d e e pt r e n c hi s o l a t i o n ，t h ep a p e ra d o p t sc s xi s o l a t i o n t h ea i mi st h a tt h e c h a r a c t e r i s t i c f r e q u e n c yr e a c h e s 10g h zb yc a r r i n go u tt h ec h a r a c t e r i s t i c d i m e n s i o no f1m i c r o n f i n a l l yt h ep a p e rd e v e l o p st h eh i g hp e r f o r m a n c eb jt ， w h i c hh a st h ep o l y s i l i c o ne m i t t e r , t h et h i nb a s e ，e - bs e l f - a l i g e n ds i 0 2 i s o l a t i o n ，c s xi s o l a t i o na n ds oo n t h eh i g h e s tc h a r a c t e r i s t i cf r e q u e n c yo f b j ti st h e1 0g h z b yt e s t i n gt h el a s tp r o d u c to fb j tt h ec h a r a c t e r i s t i c f r e q u e n c yo fb j t i st h e9 5 g h z ，b a s i e a l l yt h er e s u i ti sc o n s i s t e n tw i t ht h ea i m a tl a s tt h ep a p e rd e s i g n e dl n ao fm m i cb y t h eb j to ft h ep a p e 。t h e s t a b i l i t yo fl n a i sa l lr i g h t b r o a d b a n da m p l i f i e rw i t hb a n d w i d t h 。f1 4 8 g h 2 a n dg a i no f2 3 2 d bh a sb e e nd e v e l o p e d k e y w o r d s ：b j t c h a r a c t e r i s t i cf r e q u e n e y n fp o l y s i l i c 。ns e l f 8 l i g 。n d 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。掘我所知，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，也不包含为获得重麽邮鱼太堂或其他教 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做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 一签谚f 我蠕捌期：扣p 咱 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖酆垒太堂有关保留、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。本人授权重迭整鱼太堂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适用本授权书) 黜虢家黼：岔和哆 签字日期；小1 年 月，譬日 签字日期；司年岁月c 啦日 l 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 毫无疑问，自从1 9 4 8 年晶体管发明以后，2 0 世纪5 0 年代末硅平面工 艺技术的诞生是集成电路发展史上的重要的里程碑，它为今天的集成电路 工业奠定了基础。几十年来，在硅平面工艺的基础又产生了许多新的工艺 和新的技术推动了集成电路的高速发展。但是根据市场需求和中电集团2 4 所工艺条件，对高速双极晶体管的研究还是有必要的。本课题是以中电集 团2 4 所对双层多晶硅自对准双极晶体管的研发的项目为依托进行的。 1 1 高性能晶体管的进展 高性能双极器件已大量应用于军用、民用电子设备中，其典型应用主 要在通信、雷达( 含导航) 和电子对抗领域。全固态电子设备的体积、重 量、性能、价格和可靠性很大程度上都取决于双极器件及放大器性能，因 此提高该类器件的性能具有很大的应用价值和现实意义。在制作单片低噪 声放大器时，虽然g a a s 和s i g e 同硅相比具有很多优点，尤其是较高的频 率范围。但是硅双极器件在较低的频率范围仍然占有优势，频率低于4 g h z 的硅双极晶体管为许多电子设计提供了可靠而低廉的设计方案。目前我国 发展硅双极工艺技术的m m i c 方面取得了很大成就【1j 。 随着技术的不断发展，人们对集成电路的要求越来越高，不断发展的 电路技术要求更高的工作速度和更小的功耗。于是，在7 0 年代提出了“按 比例缩小”( s c a l i n gd o w n ) 的设计要求。它是在不改变器件结构设计的基 础上，对器件的各部分尺寸按一定比例缩小，以来提高速度和减小功耗， 随之双层多晶硅白对准工艺就发展起来。这一技术的发展取得了突破性的 进展，集成电路的元件数目飞速地增加，功耗不断的下将，成本也急剧的 缩减。当人们想要提高器件的速度自然想到可以用“按比例缩小”。 但是，无线通讯与大量卫星通讯技术在不断地发展，各种高频应用要 求提供工作频率、增益、噪声系数等技术指标均优异的性能指标的器件。 但是随着器件尺寸的不断的减小，各种物理极限问题也摆在了科研工作者 面前。这样就促使另一种高性能的双极晶体管的发展，也就是不同于我们 常规的硅基同质结的双极晶体管的异质结晶体管( h b t ) ，典型的异质结 就是s i g e h b t 。把双层多晶硅自对准工艺应用于s i g e h b t 这样更能大大 提高晶体管的性能。据最近报道i b m 研究小组已经研制出运行频率为 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 5 0 0 g h z 的双极s i g eh b t 【2 】。 随着i n p 半导体器件和集成电路的发展，新型i n p i n g a a s 材料的双异 质结双极晶体管( d h b t ) 得到了发展。2 0 0 4 年报道在美国r o c k w e l l s c i e n t i f i cc o m p a n yl l c 公司的一个团队演示了一种静态分割电路，采用 亚微米磷化铟双异质型( d h b t ) 结制造工艺技术，能工作在1 5 2 g h z 频 率工作。2 0 0 7 年报道u i u c ( u n i v e r s i t yo fi l l i n o i sa tu r b a n a c h a m p a i g n ，伊 利诺大学香槟分校) 科学家们再次打破他们所保持的最快的晶体管的记 录。他们最新制作的双极晶体管的频率达到8 4 5 g h z ，比其他研究小组高 约3 0 0 g h z 赫兹，已经接近了太赫兹器件的目标1 3j 。双层多晶硅自对准工 艺可以用于双异质型( d h b t ) 这样可以大大改善晶体管的性能。当然我 们也要清楚，由于先进的双层多晶硅自对准工艺用于双极大大提高晶体管 的速度。这样也可以和c m o s 技术相交叉形成高性能亚微米、半亚微米和 深亚微米的b i c m o s 。当然由于s i g eh b t 的发展，我们可以更好的发展 s i g e b i c m o s 技术，这样更能得到高速、低功耗和高驱动能力的电路。 双极集成电路的发展方向是高集成度、高速度和低功耗。高集成度要 减小器件的面积；低功耗要求减小器件的寄生电容，也就是减小器件的面 积。高速度要求减小晶体管基区宽度以提高特征频率，缩小发射结面积以 减小发射结电容，缩小基区面积以减小集电节电容和基区电阻。总之，就 是尽量减小双极器件的横向尺寸和纵向尺寸【4 l 。 八十年代以来，双极技术得到了迅猛的发展，相继采用了多晶硅技术、 自对准技术、深槽隔离技术等，显著地减小了双极器件的横向尺寸和纵向 尺寸，使得双极器件的器件面积和有关寄生电容大大减小，其功耗延迟乘 积也显著减小，电路的集成度得到了很大的提高。近年来发展了多晶硅自 对准技术( p s a ) 、超自对准技术( s s t ) 、侧壁基区基础技术( s i c o s ) 、 深槽隔离技术等先进的双极技术。 1 2 设计高性能晶体管遇到的主要问题 本论文设计的晶体管是采用的双层多晶硅自对准工艺来完成的。那么 下面我们分析在设计晶体管遇到的问题时，我们主要分析涉及到本工艺有 关的晶体管的主要问题。本论文主要目的是在现有的工艺条件下，如何提 高特征频率，兼顾其他的性能。f r 、b v c e o 和v 一的存在制约的关系，高的 工作频率就意味着更低的击穿电压，从而也就意味着更低的电源电压。而 这会带来信噪比的减小，因此对r f 设计者而言将是一个难题。所以，需 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 要充分理解这种相互制约关系。峰值截止频率( f v ) 、击穿电压( b v c e o ) 和厄利电压( v a ) 这三个参数与双极晶体管紧密相关。b v c e o 和v a 与f t 之间有近似一种倒数关系。给定一种晶体管设计，假定基极与发射极的剖 面结构不变，那么要想增加f t 就要增加集电极掺杂浓度( n d c ) 或缩短集 电区宽度( 也就是减小集电极外延层的厚度) ，这两个方法都可以延迟k i r k 效应的发生。增加集电极掺杂浓度会减小厄利电压，这是因为它增强了基 区宽度调制；它还会加大碰撞离子化作用，这会降低b v c e o 。减小集电极 外延层厚度也会增大碰撞离子化作用，这是因为同样的电压加在更短的距 离上会形成更强的电场。f t 和b v c e o 之间的这种相互制约关系被称作 “j o h n s o nl i m i t ”( 约翰逊限制) 【5 l 【6 j 。 1 2 1 提高集电极的掺杂浓度与b v c b o 提高的矛盾 提高特征频率要减小集电极的影响，减小势垒区集电结的宽度，也就 是减小势垒区，这个方法就是提高集电极的掺杂浓度，让它的浓度和基区 的掺杂浓度靠近点，这样会使势垒区减小从而降低延迟，但是这样与提高 击穿电压相矛盾，必须折衷考虑。 1 2 2 提高自建场与提高扩散系的矛盾 影响高性能晶体管的速度的一个关键因素是基区宽度。为了提高特征 频率我要尽量把基区宽度做窄，同时为了在宽度一定的情况下我们要提高 自建场减小阻滞电场。提高基区和发射区交界面的浓度梯度目的是提高自 建场，提高浓度提高自建场减小阻滞场。提高扩散系数，但是提高扩散系 数就是要降低基区掺杂浓度( 浓度高扩散系数降低) 。所以提高自建场与 提高扩散系数是相矛盾的，所以我们设计时要很好的折衷。 1 2 3 提高电流增益和降低发射极电阻的矛盾 由于本论文采用的多晶硅接触发射极是为了提高电流增益。“隧道发 射理论”认为在发射区多晶硅和单晶硅之间有一层氧化膜，这个氧化层为 载流子输运制造了一个势垒，抑制了发射区的空穴电流，使基极电流减小， 因而改善了电流增益。但是这层氧化膜直接影响发射极的电阻，由于我们 要提高晶体管的速度就要降低发射极电阻。由于氧化膜的厚度决定电阻的 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 大小，所以这里改善电流增益和降低发射极的电阻要良好的折衷。 1 3 关键工艺 1 3 1 基区工艺 基区分两次注入，形成发射区下的低浓度有源基区( 内基区) 和用于 基极电极引出的高浓度无源基区( 外基区) 。这样，便于减小基区宽度， 有利于欧姆接触和避免结漏电。然而，为兼顾电学参数和器件设计要求。 通常选取有源基区的注入能量大于无源基区的，而注入剂量则为无源基区 高于有源区的一个数量级以上。经退火后，能满足低剂量峰值在发射区外， 发射区大约补偿一半有源区和高剂量峰值在硅界面附近的要求【7 】。 内基区的掺杂条件对双极晶体管特性有着最直接的影响，双极管的很 多特性有着最直接的影响，双极晶体管的很多特性都与基区宽度有密切的 关系。其中，受影响最大的是晶体管的特征频率和c e 结的击穿电压。降 低基区注入剂量和减小基区注入能量都可以降低基区的宽度。但是实验能 看出，由于硼离子注入产生沟道效应和拖尾效应，改变注入剂量和能量， 都很难得到更窄的基区宽度，降低基区注入剂量还会使基区掺杂浓度较 低，使c e 结基穿电压显著下降。使用b f 2 注入，由于这样受沟道效应和 拖尾效应影响小【8 l ，所以更容易得到较窄基区宽度和浓度较高的基区浓度， 从而获得高性能的双极晶体管。外基区采用大面积注入硼，剂量要高于内 基区这样可以降低外基区电阻。为保证晶体管的击穿特性及厄尔电压，b f 2 的注入剂量也不能过小，本文中晶体管基区b f 2 的注入能量为8 0 k e v ，剂 量8 o 1 0 1 3 e r a 2 。快速热退火的温度与时间需要根据不同的器件结构及注 入条件来设置，本文中所采用的快速热退火条件温度为1 0 5 0 c ，时间为 2 0 秒。 1 3 2 减压薄外延 要提高双极晶体管的速度必须减小器件的纵横向尺寸。我们采用双层 多晶硅自对准工艺减小横向尺寸，为了在同样电压下得到同样的电流，我 们要减小纵向尺寸，所以要尽量减小外延的厚度。减压外延比常压外延温 度低1 0 0 c 左右，能够更好地抑制n 埋层中砷杂质的上翻，提高有效外延 重庆邮电大学硕士论文 第章绪论 层的厚度，减小集电区电阻r c 【9 1 ，这样减压薄外延可以有效提高双极晶体 管f 7 。本文中n p n 晶体管采用减压薄外延得到厚度为1 , t m ，电阻率为 o 3 f l e m 的n 型外延层。 1 3 3 快速退火1 0 】 为了控制发射区、有源基区和无源基区，下集电极区的杂质再分布， 采用快速退火是很重要的。在1 0 2 5 到1 1 0 0 c 下选择最佳温度，可以实现 7 0 9 0 n m 的基区宽度，相应的发射结深为3 5 8 5 n m 。通过快速退火可以减 小杂质上翻，这样可以降低集电区的电阻在集电极电阻和b v c b o 之间获得 良好的折中，从而提高晶体管的速度。 1 4 本文的主要工作 对双极晶体管的基本原理进行了分析 对晶体管关键性能进行了阐述 对双层多晶硅自对准工艺技术进行了介绍 本文采用：硅双层多晶硅自对准工艺技术、减压薄外延、b f 2 注入、 多层金属布线和可修调电阻工艺技术 用t s u p r e m 4 和m e d i c i 软件对工艺及器件进行了模拟 并制作出b = 1 6 0 ，f r = 9 5 g h z ，b v c e o = 6 0 v 的高性能n p n 晶体管 采用该n p n 晶体管制作的宽带放大器带宽为1 4 8 g h z ，增益为 2 3 2 d b 。最后是结论和展望。 1 5 本论文工作的意义 在超高速集成电路领域中硅双极技术占有重要的地位，这是因为双极 器件比m o s 器件具有更强的驱动能力，更大的跨导和更快的速度。论文研 究出硅基高性能双极晶体管为开发廉价的高速电路做下了铺垫。同时也为 开发高性能的互补双极、b i c m o s 、s i g eh b t 和s i g eb i c m o s 打下了基础。 1 6 本章小结 本章主要介绍了高性能晶体管的发展现状，并且指出项目的来源。为 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 了更好进行器件的设计，还对器件的主要的矛盾的参数关系进行了说明。 还介绍了本论文的主要工作，以及最后设计出的成果。 重庆邮电大学硕士论文第二章双极晶体管的基本原理 2 1 基本原理 第二章双极晶体管的基本原理 2 1 1p n 结的介绍1 1 】 采用不同的掺杂工艺，将p 型半导体与n 型半导制作在同一硅片上， 在它们的交界面就形成p n 结。p n 结具有单向导电性。 p n 结的形成 物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产 生的运动称为扩散运动。当把p 型半导体和n 型半导体制作在一起时，在 它们的交界面，两种载流子浓度差很大，因而p 区的空穴必然向n 区扩散， 与此同时，n 区的自由电子也必然向p 区扩散。由于扩散到p 区的自由电 子与空穴复合，而扩散到n 区的的空穴与自由电子复合，所以在交界面附 近的浓度下降，p 区出现负离子区，n 区出现正离子区，它们是不能移动 的，称为空间电荷区，从而形成电场。随着扩散运动的进行，空间电荷区 加宽，内电场增强，其方向有n 区指向p 区，正好阻止扩散运动的进行。 在电场力的作用下，载流子的运动称为漂移运动。当空间电荷区形成 后，在内电场作用下，少子产生漂移运动，空穴从n 区向p 区运动，而自 由电子从p 区向n 区运动。在无外电场和其他激发作用下，参与扩散运动 的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡，形成p n 结。当p 区与n 区杂质浓度相等时，负离子区与正离子区的宽度也相等， 称为对称结；当两边杂质浓度不同时，浓度高一侧的离子区宽度低于浓度 低的一侧，称为不对称结；两种结的外部特性是相同的。我们在今后设计 的晶体管中大部分为不对称结，在后面的长章节将会介绍在晶体管中为什 么用不对称结的原因。 p n 结的单向导电性 如果在p n 结的两端外加电压，就将会破坏原来的平衡状态。此时， 扩散电流不再等于漂移电流，因而p n 结将有电流流过。当外加电压极性 不同时，p n 结表现出截然不同的导电性能，既呈现出单向导电性。当p n 结外加正向电压处于导通状态，p n 结外加反向电压时处于截止状态。 重庆邮电大学硕士论文第二章双极晶体管的基本原理 2 1 2 晶体管基本原理 晶体三极管又称双极器件( b i p o l a rj u n c t i o nt r a n s i s t o r ，用b j t 表示) ，它 的基本组成部分是两个靠近得很近且背对排列的p n 结。根据排列方式不 同，晶体管分为n p n 和p n p 两种类型，如图2 i 所示。两个p n 结所对应 的三个中性区按顺序称为发射区、基区和集电区，它们的电极引出线分别 称为发射极e ( e m i t t e r ) 、基极b ( b a s e ) 和集电极c ( c o l l e t o r ) 。发射区和 基区之间的p n 结称为发射结( 简称e b 结) ，集电区和基区之间的p n 结 称为集电结( 简称c b 结) 。在图2 1 中画出了两种集体管的电路符号，图 2 1 中发射极的箭头表示发射结加正偏时的实际电流方向。 ec | n pn i c c 图2 1 晶体管的两种类型 晶体三极管和晶体二极管一样都是非线性器件，但是它们在主要特性 上确是截然不同的。晶体二极管的主要特性是单向导电性，而晶体三极管 的主要特性与工作模式有关。当晶体三极管工作在发射结加正偏、集电结 加反偏模式时，它呈现的主要特性是正向受控作用。这种作用是指晶体三 极管的集电极电流和发射极电流只受正偏发射结电压的控制，而几乎不受 反偏集电结电压控制。这种作用是实现放大器的基础。因此将相应的工作 模式称为放大模式。除放大模式外，晶体三极管还可以工作在发射结和集 电结均加正偏的饱和模式和发射结和基电结均加反偏的截止模式。这两种 模式呈受控开关特性，是实现开关电路的基础。 2 2 基本结构介绍 1 2 1 按几何形状分为台面和平面结构；按最小尺寸形成方式分为自对准和 非自对准结构。在生产实践中要制成n p n 型和p n p 型管的工艺结构很 多，从我国结型晶体管的发展趋势来看，大致分为合金管、合金扩散管、 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章双极晶体管的基本原理 台面管和平面管。由于合金管和合金扩散管适于低频，所以下面主要以硅 管为例来介绍台面和平面管。 2 2 1 台面晶体管 从合金管到合金扩散管，基区宽度减小到约2 ，3i lm ，频率提高到百兆 赫。但是要进一步提高频率特性，除了要控制更薄的基区外，还要要求合 理的电极形状，这是上述两种管子不能解决的问题。在此基础上发展了台 面晶体管。 台面晶体管是在p 型硅片上扩散一层表面杂质浓度为1 - 2 1 0 ”厘 米，扩散层厚度约为1 - 2 um 的n 型扩散层，然后再在n 型扩散层上面应 用真空蒸发金属的方法蒸发两条金属电极，一条是铝电极，它与扩散层形 成p n 合金结( 发射结) ，另一条是金、锑合金电极，它与扩散层形成欧姆 接触，作为基极电极，最后用保护膜把电极区域掩盖起来进行台面腐蚀， 其结构与杂质分布如图2 2 所示。 这样扩散方法与蒸发合金方法结合起来，在很薄的扩散层上用蒸发方 法形成很浅的合金结，从而获得更薄的基区。再加上采用条形电极使发射 极和基极靠得很近，集电极电容c 。大大减小( 如小功率硅台面管的c 。值可 低至o 5 个微法左右1 ，以致使台面管具有比合金扩散管更好的高频特性。 图2 2 台面结构与杂质分布 上面介绍的是硅管的台面工艺，关于其他类型台面管由于与平面工艺 类同在此不作介绍。 2 2 2 平面晶体管 上面已讨论了合金管、合金扩散管、台面管的结构和工艺。只要稍注 意一下就会发现这些管子的p n 结都是裸露在外面的，因此结表面容易受 重庆邮电大学硕士论文第二章双极晶体管的基本原理 到吸附的水分子、金属离子、气体分子与其他污物的沾染，从面使晶体管 的反向漏电流增大、击穿电压降低，严重的影响了晶体管的可靠性与稳定 性。在长期的生产实践中，在硅台面管的基础上逐步发展了一种平面工艺， 其主要过程是在n 型硅片上生长一层氧化膜，在氧化膜上利用光刻的方法 刻出一个窗= 1 ，进行硼杂质扩散，以获得p 型基区，然后在此p 型层的氧 化膜上再光刻一个窗1 - 3 ，进行高浓度的磷扩散，得到n 型发射区，并用铝 蒸发工艺以获得基极与发射极的电极。n 型基片则用作集电极，其结构与 杂质分布如图2 3 所示。 图2 3 平面结构和杂质分布 由于完整的二氧化硅膜的化学性能非常稳定，能耐高温，抗杂质原子 侵入的能力强，且是非常良好的绝缘体，因此它不仅能钝化表面，减小了 漏电流，降低了噪声，而且与光刻技术相配合可进行选择扩散，这样可使 电极的形状更为合理，其结果显然使晶体管的可靠性、稳定性和参数的均 匀性得到了极大的改善。 以后在实践中，又在平面管制造工艺的基础上发展了一种外延平面扩 散技术，其方法是在制造基区与发射区之前，先在低阻的外型硅片上用还 原四氯化硅的方法，生长出一层与基片晶体结构相同的低阻n 型薄层，然 后再按平面工艺制造发射区和基区。由于基片电阻率比较低因此减小了集 电极串联电阻，使集电极饱和压降减小。由于解决了击穿电压和饱和压降 的矛盾，从而也改善了击穿特性，使得外延平面晶体管无论在开关速度、 高频和直流特性、功耗等方面都具有较好的特性而得到了广泛的应用。 平面管具有合理的电极形状、薄的基区、钝化的表面因此在功率、频 率、噪声和稳定性可靠性等方面都达到了新的水平是我国当前晶体管生产 的主要管型。 本论文采用双层多晶硅自对准工艺的平面晶体管结构，如下图2 4 示： 图2 4 双层多晶硅自对准工艺的平面晶体管结构 重庆邮电大学硕士论文 第二章双极晶体管的基本原理 2 3 晶体管参数分析 当交流信号的频率升高时会发生什么情况呢? 晶体管的实际测量表 明，随着信号频率的升高，所有晶体管的放大能力都要下降，这是由大量 实践证明了的规律，是晶体管的共性。然而实际测量还表明，不同晶体管 放大能力开始显著下降的频率是各不相同的，这说明晶体管频率特性的个 性。例如有一些晶体管( 低频管) 的放大能力在几十千赫时就开始下降了， 另一些管于( 高频管) 的放大能力要到几兆游或几十兆赫才开始下降，还有 些管于( 超高频管或微波晶体管) 可以一直工作到几百兆赫，甚至几千兆 赫。为了表明不同晶体管的不同频率特性，要引入晶体管的高频参数来表 示晶体管的高频性能。晶体管的高频参数主要有：特征频率厅、最高振荡 频率厂帕。和噪声系数n f 。由于本论文侧重于高性能晶体管速度，所以我们 下面重点考虑管子的特征频率。 2 3 1 特征频率【1 3 】 特征频率是共发射极输出交流短路电流放大系数下降为1 ，即b = 1 时 的频率。f t 的重要意义首先在于它标志着一个晶体管能够进行电流放大的 最高频率。当晶体管在高于f t 的频率下工作时就失去了电流放大的能力， 其次，f t 在测量时有独特的优点，人们可以在较低的频率下获得f t 的数据， 这就给晶体管大量生产的测试工作带来了方便，因此，目前f t 已成为最重 要的晶管高频参数。本节着重介绍f t 与晶体管具体结构之问的关系，导出 f t 的公式，从理论上指明在生产实践个提高晶体管高频性能的途径。下面 讨论一下特征频率的数学表达式( 2 1 ) 和提高特征频率的途径。 矗2 去亿t ， f 比= = c + 下8 + f c + t a 四个时间常数r 。、r b 、f 。和乃是大小不同分别表示：发射极电容充电 时间，基区渡越时间，集电极电容充电时间还有集电极耗尽层信号延迟时 间。晶体管的高频特性既然主要由f t 决定，因此如何提高晶体管特征频率 就成为工人师傅在制作高频晶体管时的重要课题。凡能使时间常数总和得 以减小的措施部可以提高f t 。例如减薄基区厚度w ( 缩短基区渡越时间) ， 减小发射极条的宽度s 。( 发射结面积a 。减小) ；适当增加基区扩散的薄层 重庆邮电大学硕士论文 第二章双极晶体管的基本原理 电阻r 。b ( 减少基区杂质浓度来提高d 曲) 等都是已由实践经验证明的提高人 的有效措施。这里重要的是要注意使时间常数的总和减小，而有些指施， 实际上晶体管中，四个时间常数f 。、f 。和乃是大小不同，所起的作用 有主要和次要之分，所以全力找出影响频率性能的主要矛盾，对于生产实 践来说是很有意义的。特征频率不是很高时，基区的宽度占主要的影响。 减小这个影响，减小基区宽度和提高基区和发射区交界面的浓度目的是提 高自建场并且减小阻滞场。提高扩散系数，但是提高扩散系数就是要降低 基区掺杂浓度。但是我们作的基区很薄时，特征频率升高，也就是说特征 频率高的基区作的很薄，基区的宽度不是主要的了。要通过减小发射极的 动态电阻和减小势垒电容来提高特征频率。这一点主要是通过减小发射极 的结面积，本论文通过双层多晶硅工艺来实现窄的发射结面积，这样主要 减小发射结的结电容。还有要减小集电极的影响，减小势垒区集电结的宽 度，也就是是减小势垒区，这个方法就是提高集电极的掺杂浓度，让它的 浓度和基区的掺杂浓度靠近点，这样会使势垒区减小从而降低延迟，但是 这样与提高击穿电压相矛盾，必须折衷考虑这在绪论中也提到过。总之为 了提高特征频率要减小基区宽度、缩小结面积、适当降低集电区的电阻率 和减低集电区的厚度。 特征频率除了与晶体管本身结构有关外，还与晶体管工作点有关，这 是因为四个时间常数与i c 或v c e 有关。把它们之间的变化关系用图2 5 表 示。 a 图2 5 特征频率矗和i c 以及v c e 关系 特征频率f t 随i c 的关系如图2 5 ( a ) 所示，开始特征频率f t 随i c 的 增大而提升，经过一个极大值后迅速下降。这是因为在小电流时，对于大 多数基区很薄的高频晶体管来说g - 。如式( 2 2 ) 表示，这一项是较大的。当 此时i c 由小增大时，f 。减小而引起特征频率f t 的提高，也就是说小电流时， 重庆邮电大学硕士论文第二章双极晶体管的基本原理 特征频率f t 随i c 的增大而提升的原因是由于i c 的增大导致发射结充电时 间缩短的结果。 铲舞c 一z ， 在大电流时，由于大量的电子通过集电结势垒区而改变了集电结势垒 区空间电荷的密度分布，这与在分析集电结空间电荷限制效应的道理是一 致的，它导致了有效基区宽度w 的增大，从而使基区渡越时间“增大而使 特征频率f t 下降。显然，初始的基区宽度越薄，相对附加基区宽度的影响 就越大，则f t 随i c 增大而下降越严重。所以，在保证f t 的要求下可以适 量的加宽基区的初始宽度。 特征频率f t 随v c e 的变化如图2 5 ( b ) 所示，因为增大集电结反向电 压v c b 可以减小基区宽度w ，故在吒较大时f t 随v c e 的增大是显然的。但 当有效基区宽度w 减小到定程度后，靠不在起主要作用了，而此时v c e 的增大会引起势垒区宽度的增大引起特征频率f t 下降。 可见，当我们设计好高性能的晶体管时。为了更好发挥高性能晶体管 的高频性能，还要考虑合适的工作点，否则晶体管不会发挥出良好的高频 性能。 由于特征频率与最高振荡频率l 以及器件结构有着重要的关系，下面 对最高振荡频率丘进行简单的介绍分析。最高振荡频率f m 。则表示功率增 益为l 时的频率。在理论分析时通常可以用下式计算： 丘= r b 表示基区电阻，c 。b 表示基区集电区电容，由此可知双极晶体管最 高振荡频率主要由其内部参数决定，即基区电阻、基极电容、特征频率。 2 3 2 共发射极电流放大系数b 的定义 共发射极晶体管的电流放大系数也可以有直流电流放大系数bn m 和 交流电流放大系数b2 * 两种。它们的定义式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) ： 纭= 等z 4 ， 氏漉= 等c z s ， 重庆邮电大学硕士论文 第二章双极晶体管的基本原理 在现代硅双极晶体管中，基区复合电流很小，基极电流、集电极电流 和直流增益可以分别写为： e x p1 qv r s g ( 2 6 ) ：譬磐e x p 誓， 。尼，“。“ 口：竺! ! ! ! ! ! 丝( 2 8 ) d p 。w 口n 。矿 。一” 式中，爿为e b 结面积，d 。是发射极少子扩散系数，仉6 是基区少子 扩散系数，既为发射极宽度，为基区宽度， ，如是轻掺杂半导体内部载 流子浓度，础表示随禁带宽度变窄的有效施主杂质浓度，n 表示随禁 带宽度变窄的有效受主杂质浓度。 与a 。和a ，。相似，b 。只反映晶体管在测试工作点上的电流放大能 力，而b 蛳所反映的是从0 到i c 整个工作区域中电流放大能力的平均值。 p 。与ba m 的数值并不一定相等，要它们的数值接近或者相等，要求满足 两个条件： i c e o 与工作电流i c 相比，可以忽略。 在测量所涉及的工作电流范围中，bi 瀛处处相等。 由于共发射极电流放大系数的变动范围比共基极电流放大系数a 的 变化范围大得多，因此要满足条件“2 ”的要求是比较困难的。把共发射 极接法与共基极接法的晶体管相比，我们发现晶体管的结构没有变，电压 的偏置方向也没有变，因此管子内部的电流分布情况应该是相同的，b 和 d 只是由于接法不向而反映了晶体管电流特性的两个不同侧，而所以b 和 q 之间必定存在一定的关系。实际上，利用关系式i e = i c + ，。，就可得到： 口= 上 1 + - ( 2 9 ) 因此知道一个晶体管的t l 之后，就可以算出它的p 值。为了对照方便， 也可以把a 和b 之间的关系式( 2 9 ) 画成曲线示于图2 6 。可以看出，a 的 微小变化，就可引起b 的显著变化。例如a 从o 9 8 变到0 9 9 ，增大0 0 1 ， t 3 就要从4 9 增加到9 9 ，增大了一倍。因此如果要求晶体管的8z * 在整个 辔 l l 目 ， 重庆邮电大学硕士论文 第二章双极晶体管的基本原理 工作区中有相近的数值，就要作特别的努力。 0 ，2 50 50 7 51 图2 6 与9 的关系 下面，为了简化分析计算我们只考虑共发射极的直流电流放大系数， 并且为了简化符号，就用不带附标的“b ”来表示这个电流放大系数。由 于本论文是采用的缓变基区晶体管所以本文只介绍缓变基区晶体管的共 发射极电流放大系数6 。 随着扩散技术在晶体管生产过程中的广泛应用，许多晶体管的基区杂 质分布都是不均匀的。根据基区扩散的具体工艺条件，基区杂质分布函数 x b ( o 可以是余误差函数，也可以是高斯函数等。我们把这种基区杂质浓度 逐渐变化的晶体管称为缓变基区晶体管。都是缓变基区晶体管其杂质分布 与能带如图2 7 所示。 o - x 。 图2 7 缓变基区晶体管其杂质分布与能带 我们看到，缓变基区晶体管的基区能带是倾斜的。这是因为基区存在 重庆邮电大学硕士论文第二章取极晶体管的基本原理 着杂质浓度梯度，基区多数载流子空穴也有同样的浓度梯度，并根据浓度 梯度往右端扩散，但被集电结势垒阻挡在基区中，从而在基区产生一个从 右向左的电场式称为自建电场。平衡时，这个电场引起的基区空穴漂移流 正好抵消空穴扩散流，从而使基区空穴浓度分布维持不变。正是由于基区 中存在有这个电场l 基区各点电位不再相等，就使基区能带弯曲倾斜了。 现在我们来看这个自建电场；对电流放大系数有什么影响。我们知 道，均匀基区晶体管的基区没有电场，发射区注入过来的电子仅作扩散运 动。现在基区有了电场，注意到这个电场虽然阻止空穴扩散，但所引起的 电子漂移运动是与扩散运动同方向的，因此，基区电子既作扩散运动又作 漂移运动，故电子运动就更快了。因而晶体管的发射效率和基区输运系数 在考虑了基区中自建电场对电子的作用后也就要相应改变了。 定量地分析这个问题还得从分析自建电场开始。根据平衡时基区空 穴扩散电流密度和空穴漂移电流密度相抵消的条件可决定自建电场的 大小。的表大式( 2 1 0 ) 。 f ：关垡盟 乒瓦丽1 f 一般提高晶体管的电流增益措施： 提高发射区掺杂浓度或杂质总量，增大正向注入电流 减小基区宽度 提高基区杂质分布陡度以提高电场因子i l 提高基区载流子寿命和迁移率以增大载流子的扩散长度 当然，还有些其他因素影响着直流增益，如发射结势垒区复合的影响， 发射区重掺杂的影响，表面复合影响，基区宽变效应等等，如何提高器件的 电流增益也是以后需要进一步研究的课题。 2 3 3 击穿电压1 4 】 击穿电压是晶体管的另一类重要参数，它标志着晶体管能承受的电压 上限，是我们设计高性能晶体管的要考虑的重要晶体管。通常包括b v e b o 、 b v c b o 和b v c e o ，以及在一定电路条件下考虑的极限参数。 b v c b o 是发射极开路时，集电极与基极间的击穿电压。一般情况下由 集电结的雪崩击穿电压v b 决定。从p n 结反向击穿特性的分析中我们得到， 对于突变结，雪崩击穿电压由低掺杂一侧的杂质浓度决定。因此，合金管