（微电子学与固体电子学专业论文）高线性功率音频晶体管设计.pdf

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 所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：虚l ：盈日期：加。s 年争月孑日 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) 导师签名纭及冲 导师签名：! 坠竺! 日期：卯歹年华月吕e l 电子科技大学硕士学位论文 摘要 音频功率晶体管是属于低频范围的大功率晶体管，它是七十年代发展起来的，现在已 成为非常重要的半导体器件，以它为基础暾成的放大器是整个音响设备的核心。由于音响 的体积、重量、性能、价格和可靠性很大程度上都取决于该类器件，由此音频功率晶体管 的发展水平很大程度上决定了音响设备的整体水平及它在市场的竞争力【l j 。这就对音频功 率晶体管的设计制造提出了苛刻的要求。本文在分析国外一些典型音频晶体管的基础上， 提出了一些有利于改善高线性音频功率晶体管性能的新结构，并详细分析了其特点和功能： 1 针对提高耐压特性和噪音特性提出了绝缘深阱结终端结构， 2 为了提高音频功率晶体管器件的可靠性，提出了非线性基极镇流电阻过温保护技术。 关键词：音频功率晶体管；结终端；镇流；可靠性 电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea u d i oh i g h - p o w e rt r a n s i s t o rb e l o n g st ot h el o wf r e q u e n c ys c a p e ，i td e v e l o p e di n 7 0 1 s ，h a v i n gb e c a r l l et h ev e r yi m p o r t a n td e v i c en o w , a n dt h ea m p l i e rb a s e do ni t i st h ec o no f s t e r e os e te q u i p m e n t s l o w - f r e q u e n c yp o w e rt r a n s i s t o r sh a v eb e e nl a r g e l ya p p l i e di na u d i o s y s t e m t h ep a r a m e t e r so fl o u d s p e a k e rb o xs 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 e ，r e l i a b i l i t y a n de r e m o s t l yd e p e n d so nl o w f r e q u e n c yp o w e rt r a n s i s t o r s ，s oi th a sg r e a tv a l u ea n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h e i rp r o p e r t i e s o nt h eb a s i so fo p e r a t i n g - c h a r a c t e r i s t i co fo t h e ra u d i o b j t ，s o m en e ws t r u c t u r e sa n dn e wm a t e r i a l s ，w h i c hh e l pt oi m p r o v ed e v i c e s p r o p e r t i e s ，a r e p r o p o s e di nt h i sp a p e r t h ef e a t u r e sm a df u n c t i o n so f t h et r a n s i s t o ra r ea n a l y z e di nd e t a i l ，a n dt h e n e wd e s i g ns c h e m ei sp r o p o s e d ， i nv i e wo ft h ec o n t r a d i c t i o na m o n gf r e q u e n c y , o u t p u tp o w e ra n dd i s s i p a t i o np o w e r , a d e e p - t r e n c h j u n c t i o n f f c r a c t a r e f i l l i n g w i t l l i s o l a t e d m a t e r i a l s a r e p r o p o s e d i no r d e rt oi m p r o v eb i p o l a rp o w e rd e v i c e s r e l i a b i l i t y , a no v e r l o a d - t e m p e r a t u r ed e f e n d i n g t e c h n a l o g yw i t hn o n - l i n e a rb a s eb a l l a s t i n gi sp r o p o s e d k e y w o r d s ：l o w - f r e q u e n c yp o w e rd e v i c e s ；j u n c t i o nt e r m i n a t i o n ；b a l l a s t i n g ；r e l i a b i l i t y i i 电子科技大学硕士学位论文 第一章引言 自五十年代下半期开始，波澜壮阔的工业自动化的掀起，通讯领域的不断 扩大，航空电子学的高速发展，宇宙飞行的急速开拓，以及水声、雷达、汽车 火车和其他各个科学技术部门提出的迫切需求，炽起了人们对大功率晶体管的 探求热情。 六十年代的硅平面工艺的兴起，开辟了高频一超高频大功率晶体管的广阔前 景，使得长期以来在制作高频大功率晶体管这一难题上出现了新的曙光。由于 硅材料的容易获得和硅晶体管的系列优点( 如能工作在较高温度，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发展速度远远超过锗功率 管。近十年来，理论研究的深入，制作半导体器件用的各种超纯材料质量的提 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1 2 1 作为大功率晶体管，它区别小功率晶体管的最大工作特点是： 1 在大的耗散功率或输出功率条件下工作： 2 在大电流下需要保证足够的放大能力和能承受较高的集电极电压； 3 还必须要有良好的散热能力。 最后，作为大功率管重要的性能和质量指标之一，是工作的稳定性和可靠 性。综上所述，由于大功率晶体管的工作特点，规定了大功率晶体管的下述性 能或者参数要求：( 1 ) 具有较高的极限工作温度；( 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 ) 高耐压。对于音频晶体管还要求 具有高的线性。 而音频功率晶体管是属于低频范围的大功率晶体管，它是七十年代发展起 来的，现在已成为非常重要的半导体器件，以它为基础做成的放大器是整个音 4 电子科技大学硕士学位论文 晌设备的核心。由于音响的体积、重量、性能、价格和可靠性很大程度上都取 决于该类器件，由此音频功率晶体管的发展水平很大程度上决定了音响设备的 整体水平及它在市场的竞争力。这就对音频功率晶体管的设计制造提出了苛刻 的要求。 5 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 般地说，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l 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 o 、b v c b 。；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 、c 。b ( 共基极输出电容或集电极总电容) 。 ( 4 ) 特征参数包括：1 高频功率管呻o 、k p 、f t 和工作频率f 2 高频 低噪声管- n f 、弁和k r p 。 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，即材料和扩教参数的设计包括：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。j 。；发射结结深。j e ；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 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i c 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间的 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i 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 3 1 。 6 电子科技大学硕士学位论文 2 2 晶体管的噪声特性 使用晶体管对信号进行放大和检测时，晶体管的噪声将限制电路对微弱信 号的放大和检测能力。噪声是无规则变化的电流或电压，但有其统计规律，对 于音频晶体管而言噪声特性是极为关键的。 2 2 1 噪声系数 噪声系数必须是包含晶体管固有噪声，和增益大小这两个因素的综合参 量，通常用晶体管输入端的信号噪声功率比( 信噪比) 与输出端信噪比的相对 比值来描写晶体管的噪声特性，将其比值定义为噪声系数 n 糟= 击g 小去g拂嘭= 每。p p n op p mp p m j 、p p n 、 因此，晶体管的固有噪声愈大，贝0 噪声系数f 也愈大；在固有噪声一定时，增益 g ，愈大，噪声系数f 愈小 实际运用中，常用d b 表示噪声系数 f 划0 1 9 f 。1 0 1 甙最+ 1 ) c r i b ) 肌直接描述了晶体管本身噪声的大d d 4 。 2 2 2 晶体管的噪声源 晶体管的噪声源主要有三种：1 半导体材料体内载流子热运动的起伏而产 生的热噪声；2 通过p n 结载流子的数量和速度的不规则变化而产生的散粒噪声； 3 与表亟现象有关的去噪声。 3 为了减小晶体管的1 f 噪声可以从两方面着手： ( 1 )采用完美晶体管器件工艺，以减少晶体缺陷，并防止在制造过程中 引入起复合中心作用的杂质。 7 屯子科技大学硕士学位论文 ( 2 )改善表面处理，减少界面态密度。例如，可采用低温表面稳定工艺， 以提高表面钝化。 2 3 晶体管的功率特性 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 当电流或增加时，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 b 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一 半，即有： = 孵4 d b ( 大注入) 大注入下注入效率与厶有关，从而使得电流放大系数随工作点变化： 纠嚼+ 表罢】“型d j c w 孑c 大 上式说明大注入时n l c 的增加，卢下降。i c 增加到很大的时候，与七 成反比。 2 3 2 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。 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斫口下降。 可用下式表示基区电导调制效应对电导率的影响： 口：= ( 1 + m ) o - 6 式中，( 3 - ：有调制效应的基区电导率，：无调制效应的基区电导率。 则调制系数： m = ( 呒6 e ) “爿e d h 仃6 ) 式中，- t o ：基区多子迁移率。仇：基区少子扩散系数 可见要降低基区电导调制效应就要适当减小基区宽度。 2 3 3 二次击穿 二次击穿是高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，这已成为影响功率晶体管安全使用和晶体管可靠性的一个重要 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p 高增大到一次击穿电压时，集电极电流剧增；p & 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，出现负租现象， 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。电 流集中型二次击穿( i e ( 司- - 次击穿) ，是在 o 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 9 电子科技大学硕士学位论文 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。由于发射结面温度分布不均匀，呈中部高，两边低 的形式。因而镇流电阻设计时应当成中部阻值大，两边阻值小的非均匀形式。 考虑到镇流电阻的非线性效应，可以适当降低镇流电阻值，以便获得较高的功 率增益。雪崩注入型二次击穿( 反向二次击穿) ，是在电流，。 o 时发生的二次 击穿。当电压增大到一定的程度时，集电区呈电中性，出现均匀电场，而 且达到发生雪崩击穿的临界电场所：电流进一步增加时发射区经基区进入集电 区的( 基区) 少子浓度增加，集电区空间电荷减少，结电压减小，此时出现负 阻现象，髓之发生二次击穿。 临界电流密度为：j 。= 日c v 一 临界电压为：= 岛 雪崩注入型二次击穿比电流集中型二次击穿电流集中程度更高，功率密度 更大。改善器件耐雪崩注入型二次击穿性能的主要措施是： 1 当提高外延层掺杂浓度，、，以增大临界电流密度。 2 。加外延层厚度，以提高临界电压。但是睃增加会增大集电极电极串联电 阻。所以集电区采用双外延层n 一n + 结构。 2 4 热敏电阻 半导体陶瓷是今年来发展很快的一类新型的无杌材科，其最重要的两个分 支分别是正温系数( p t c ) 热敏电阻材料和临界温度( c t r ) 热敏电阻材料。 p t c 热敏电阻材料的应用主要是基于其电阻率随温度升高而呈现突变的正温度 热性；c t r 热敏电阻材料的应用是基于其电阻率随温度升高呈现突变的负温特 性。 c t r 热敏电阻材料具有常温高电阻、高温低电阻的特性，主要包括 1 0 电子科技大学硕士学位论文 a 9 2 s c u s 和v 系【5 】0a g a s - c u s 系材料是将a 9 2 s 和c u s 按一定比例配合而得 到，其临界温度随c u s 的含量配比而变。但是，由于该系统中残存游离的硫， 易腐蚀电极，并对器件的稳定性有所影响，所以这类材料的使用和发展受到很 大的限制。v 系c t r 材料有以下两种，其特性均随材料的组成而变。 第一种是以v 2 0 5 、p 2 0 5 和s i 0 2 等氧化物为主要成分，添加s r o 、c a o 等， 在还原气氛下烧结的材料。 第二种是把五价的钒盐a g v 0 3 、s r ( v 0 3 ) 2 、b a ( v 0 2 ) 2 、p b ( v 0 3 ) 2 中的任何 一种加到v 0 2 微晶中，然后在中性气氛中烧成。这样制得的材料具有很好的电 特性，且稳定性及重复性好。 p t c 恰恰与c t r 热敏电阻的作用相反。材料在常温下电阻值非常低，随着 温度的升高，其电阻值增大。所以l y r e 热敏电阻被串接在晶体管的发射极来实 现保护功能。材料制备以v ：0 ，为基体，搀入少量a l 2 0 。或c r y o s 形成固溶体，由此 形成主晶相，再加入少量金属添加物 6 - 1 川生成但是，到目前为止，各种热敏电 阻材料的制备和与半导体工艺的兼容性问题并未很好解决，因此，阻止了该电 阻材料在硅电路，器件中的广泛运用。 电子科技大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章结终端技术 半导体器件中的结电场集中和表面电场集中现象，使得p n 结表面的最大电 场常大于体内的最大电场，因此器件的耐压也常常由表面击穿来决定。现代的 一些功率器件，如微波功率晶体管，v d m o s ，i g b t 等，实际上是由一块硅片上 许多独立的单元管芯并联而成。各单元在表面有基本相同的电位，单元之间并 不存在击穿问题。但是每个单元在表面与衬底之间存在电位差，从而容易导致 击穿在表面发生，因此每个单元的外围必须采取结终端技术。目前常用的结终 端技术包括扩散保护环、场限环、场板、斜表面与耗尽层腐蚀法、结终端扩展、 可变横向表面掺杂等 n - 1 5 l ，表3 1 对各种终端技术提高p n 结击穿电压的程度及 其适用器件类型作了比较。 表3 1 各种结终端技术比较 技术典型击穿电压为平表面峰值电场与平适用器件的典型器件类别 行平面结值的百分行平面结峰值电场典型尺寸 数( )之比( ) 平面结 5 08 0小( 2 钿曲 b f r , m o s f b t 场限环 8 08 0 中( 2 5 c 面s c r ，g t o ，m e t 1 2 电子科技大学硕士学位论文 双正斜面 1 0 08 0大( 2 5 c ) s c r ，6 t o , m c t 正腐蚀成形 9 06 0大、中、小b j t 负腐蚀成形 8 06 0岫s f e t 结终端扩展 9 58 0 s c r 可变表面掺 9 58 0 杂 电阻场扳 9 09 0 由表1 可见，适合于双极器件的终端技术包括扩散保护环、浮空场限环、 场板、腐蚀成形、结终端扩展技术、可变表面掺杂以及场板。由于腐蚀成形技 术需精密控制腐蚀的深度及其在平面结中的位置，因此比较难形成：而结终端扩 展以及可变表面掺杂形成的漏电较大，也较少使用。目前双极器件中主要采用 扩散保护环、浮空场限环以及场板技术。除了场板以外，其它两种结构都可以 统称为p n 结终端技术，其最大的缺点是横向扩散很严重，造成实际结面积和结 电容增大。这些结终端结构无一例外都是从减小曲率效应，或拓宽表面耗尽层 宽度来达到提高电压的目的，也是适应低频器件，尤其是高压电力电子器件的 发展而出现的。填充介质的深阱终端结构( 1 6 l 有助于将器件的雪崩击穿电压提高 到理想电压值的9 5 以上。并且可以有效降低表面态对于器件的影响i l ”。 3 2 深阱结终端结构概述 深阱结终端技术是八十年代中期出现的。深槽隔离技术采用淀积工艺来填 充介质槽，从而完全消除局部等平面氧化( l o c o s ) 中的“鸟嘴”效应以及自 对准平面氧化工艺中的横向氧化效应。隔离槽可以又深又窄，而且还可以作为 衬底接触，这是其它隔离技术所无法做到的。尽管深槽隔离技术已广泛地应用 于双极、m o s 存储器以及逻辑电路中，但是至今为止还没有见到将深槽隔离技 术用于提高音频功率晶体管性能地报道。深阱终端结构及其工作原理：图3 1 为本文给出的深阱结终端结构的平面和剖面结构示意图。深阱终端结构在整个 1 3 电子科技大学硕士学位论文 深 阱 结 终 端 口 a 平面图 b 音面图 图3 1 深阱结终端技术 器件的工艺流程中第一步形成。在整个硅片表而先热氧化生成一层致密的 s ，d ，再采用l p c v d 淀积生长一层良好的饨化层研，通过光刻、湿化学腐 蚀工艺去掉瓯和s ，0 后形成环形区图形，然后采用各向异性的反应离子刻蚀 0 u f ) i 艺腐蚀硅到所需的深度，形成一个环形深阱，最后再填充满介质。常采 用的填充方式为先利用高温热氧化工艺在阱底和阱壁形成几千埃s ，d 2 ，再采用 l p c v d 淀积工艺在阱中填充介质( 例如未掺杂的多晶硅或s i p o s 等) 用化学机 械抛光工艺( c m p ) 乎整芯片表面后，氧化或淀积一层s ，d 2 将阱的上端覆盖，形 成一个被介质填充满的绝缘环形阱。绝缘环形阱形成后，余下的，采用湿化 学腐蚀工艺或等离子刻蚀工艺去掉，然后再采用常规的扩散工艺或离子注入工 艺在绝缘环形阱所包围的区域内形成所设计的器件结构。深阱结终端结构的工 作原理与前面所提到的各种终端结构的原理完全不同。在具有深阱结终端结构 器件中，基区扩散窗口可以设计得略宽于绝缘环形阱所包围的区域。因此，在 掩膜版设计上，基区扩散区图形部分与阱区部分相重叠。由于阱区氧化层较厚， 完全掩蔽了杂质扩散进阱区的可能性，同时充分保证了扩散区边界与阱壁内侧 完全重合。绝缘环形阱具有一定的宽度，由图3 2 可见， 1 4 电子科技大学硕士学位论文 图3 2 耗尽层沿纵向扩展 在深阱内壁s , o ，介质扩散边界的限制下，杂质在硅中仅存在纵向扩散，没 有沿表面的横向外扩散，因而在结边缘不存在柱面结和球面结，从而就消除了 结边、角处电场集中的现象，使整个集电结完全被限制在环形阱中。如果不考 虑到填充介质的深阱内壁与外延层体硅界面处杂质的扩散与其余扩散区略有差 异，那么在反向偏压下最终形成的冶金结面将完全是平行平面结。这种差异造 成结边缘的耗尽层形状和电场分布与平行平面结区域略有不同，其原因是由于 结边缘体硅与阱中填充介质( 如s 。0 2 ) 介电性能不一样而造成的。但经模拟分析， 这种差异一般不大，而且可以设法减小甚至消除。模拟分析表明，具有这种深 阱结终端结构的器件，其雪崩击穿电压接近于理想平行平面结击穿电压的9 5 以上：由于在表面完全消除了耗尽层的横向扩展，因此集电结面积完全由有源区 下面有效面积部分构成，表面态对器件的影响减小，漏电流也同时减小，器件 的截止频率相应也会有所提高。由此可见，采用深阱终端结构对于改善器件的 频率和功率特性均有利，在“提高雪崩击穿电压新技术一深阱终端结构”( 周 蓉，胡思福，张庆中) 一文中已经进行模拟证明深阱终端结构对于提高击穿电压、 减小表面态对器件的影响，同时减小漏电流，器件的截止频率相应也会有所提 高。这里不再累述。 阱区宽度和深度对器件特性的影响：阱区宽度越宽，除了可以有效减小 1 5 电子科技大学硕士学位论文 了表面漏电和表面击穿，提高器件的雪崩击穿电压外，而且由于宽阱几乎完 全阻止了耗尽层沿表面的横向扩展，从而减小了无源区集电结面积的增加， 使厶完全等于本征基区扩散窗口下的结面积，这对提高器件的截止频率和功 率增益均有利；其次，宽阱可以进一步减小阱壁附近的峰值电场，由于宽阱 内填充的介质可以选用绝缘性能好、导热性能优良的材料，因此宽的绝缘阱 区还可以成为良好的导热区，即在没有增加本征集电结面积的同时，却增大 了器件的散热面积，这对于改善器件的散热特性有利。 尽管阱宽度的增大对提高器件的击穿电压、频率特性及散热特性均有利， 但阱若宽，一方面会增加工艺难度，使介质填充时间、填充质量以及填充介 质的选择都有一定的难度；另一方面太宽的阱会占据更多的芯片面积，使有 效面积区减小，从而将限制芯片集成度的提高。 在阱宽度足够宽且相等的情况下，绝缘阱的深度越深，对提高器件的击 穿电压越有利，且阱的深度应大于器件理想的雪崩击穿电压下所对应的p n 结 空间电荷区宽度，才能最有效地提高器件的击穿电压。太深的阱对进一步提 高击穿电压的效果不大，相反却会增加工艺难度，如r i e 刻蚀s i 时间以及介 质填充阱的时间都会相应增加。实际阱深度可由以下公式确定，式中增加的 l u m 是考虑到p z 。电压的波动而引入的a d r = x j c + 等+ 1 ( 训1 3 。3 结终端结构在音频晶体管中的实际应用 在了解结终端技术的优劣和特点后，我们设计的音频管中主要有两处采用 深阱结终端技术：一处在发射结，取深阱深1 8 u r n ，宽2 u m ，这样的深度和宽 度对b 。的提高贡献不大( 由于反向击穿时的耗尽层宽度大于1 5 u m ) ，但是 在正常使用，也就是e b 结正向偏置时，耗尽层很薄，深阱将耗尽层阻挡住不 1 6 电子科技大学硕士学位论文 让其到达表面，以此减小了起伏不定的表面态的影响，从而减小晶体管的丢噪 声。在填充的介质方面来看，s ，o ，由于具有小的介电常数，对于提高击穿电压 有利，而多晶硅与硅的热膨胀性能相近，可避免增大深阱区与外延层硅材料之 间的应力；其次，多晶硅的热导率近似于硅，约为1 5 w c m ，而二氧化硅的 热导率只有0 0 1 4 w c m i q s ，因此填充多晶硅的阱区为良好的导热体，这对 于增大器件的散热面积，改善器件的散热特性有利。另外一个可以考虑的填充 材料为金刚石材料【1 9 l 2 0 1 ，由于金刚石与硅结构类似，同属于金刚石晶格( 常温 下金刚石的晶格常数为3 6 爿，硅的晶格常数为5 4 一) ，因此，金剐石填充的 阶区引起的热膨胀效应极小；其次，金刚石材料是良好的绝缘体，其禁带宽度 可达5 5 c v ，其介质击穿电场很高，接近1 07 v c m ，是硅的2 0 倍；再者，金剐 石的热导也高，达到2 0 w c m 。c ，是硅的1 4 倍。高的击穿电压有利于提高输 出电压，高的热导有利于提高器件的散热特性，这两者的结合就能更好地提高 器件的功率承受能力19 】1 2 0 1 【2 1 1 ，由此可见，利用金刚石材料优良的特性，能充 分提高阶终端结构器件的功率和频率特性。目前，国外采用m p c v d 工艺己能 生长厚度可达1 0 0 u r n 的金刚石膜，现存的问题主要是金刚石膜的c m p 加工工 艺不够成熟，因而，该材料还不实用。 在我们设计的晶体管里，考虑到发射结处深阱主要是在于提高器件噪声特 性，对于提高击穿电压无关，所以这里我们选择多晶硅作为填充介质。 而对于集电结处的深阱则不尽相同，在集电结的阱我们要求既要对器件噪 声特性，又要对反偏时的击穿电压都作出贡献，这样对于阱的大小，深度，填 充介质都有一定要求，由计算公式：d r = j 0 + 的为5 5 0 v ，计算对应的d r = 3 8 u m ，宽度我们也要取到4 0 u r n ，这一深度和 宽度对于工艺要求相当高，并且在填充介质方面难度也很大，所占芯片面积也 1 7 电子科技大学硕士学位论文 大，这样无形中大大提高了成本，所以我们寻求一种更好的方法。这里我们将 宽阱割成若干个相互间隔i u m 的每个宽6 u m 的独立的阱，由于s ，d ，对于耗尽 层有很强的阻挡作用，所以一般三个个这样并列的深阱完全可以阻挡住5 5 0 v 时的耗尽层。同时利用湿化学腐蚀法各向同性，腐蚀过程中腐蚀液在沿纵向腐 蚀硅的同时，也同时会腐蚀侧壁的硅材料，其腐蚀速率因晶向不同而有所差异， 最终将形成上宽下窄的倒梯形结构，而不是理想的垂直阱壁结构，并且底部相 连，如图3 3 ： 图3 3 其中灰色部分就为s 0 2 ，咖啡色为多晶硅。但是这种倒梯形结构的p 一结在外 加反向偏压时，在集电结与阱壁相交的界面，从p 型区到一型区面积逐渐增 大，为了满足总体电中性的要求，在轻掺杂的一区一边耗尽层宽度减小，而p 型区一侧耗尽层宽度略微增大。由于耗尽层的宽度主要由轻掺杂一边决定，因 此，耗尽层宽度最终以缩小为主。这就造成交界处空间电荷区的宽度实际上小 于中心区域的宽度，造成交界面处电场强度高子体内，击穿将首先在此发生， 该情形类似于负倾斜角结构。阻此需对此结构进行改进，如图3 4 ： 1 8 电子科技大学硕士学位论文 图3 4 在有靠有源区一侧尽量使侧壁垂直，为了避兔或减小这一侧阱区形成过程 中的侧向刻蚀，最好的方法是使刻蚀反应仅在垂直于硅片表面的方向进行。采 用各向异性的反应离子刻蚀工艺可以得到较理想的垂直阶壁结构。 可以看见这样既可以达到增加耐压，减小表面态对噪声特性的影响，而且 可以降低工艺难度，节省芯片面积。在深度不变，仍然为4 2 u m 时，取以下结 构模拟验证：一= 5 1 0 ”c m 。，p = 5 x l o ”c m 一，尸+ = l 1 0 ”c m ，阱深4 2 u m ， 宽4 0 u m ) 图3 5 模拟结果如下： 电子科技大学硕士学位论文 图3 6图3 7 这一结构在4 1 5 v 左右时就击穿，现在我们换以下结构进行模拟：( 阱相隔l u r e 每个阱宽6 啪) 图3 8 图3 9 由图可知这一结构在4 0 0 v 左右击穿，4 0 0 v 下的耗尽层在第二个阱处就被阻挡 住了，耐压效果却比上一方案差少许，并且耗尽层也落到表面，不能达到降低丢 噪声的效果。然后再来看以下两种结构的对比： 2 0 电子科技大学硕士学位论文 图3 1 0图3 1 1 以上两种情况分别是：阱底部1 3 处相连，击穿电压大概在4 1 5 v 左右，和 宽4 0 u r n 是大致一样。另一边是底部2 3 处相连时的情况，击穿电压高于4 1 5 v ， 在快击穿i 嶷界时耗尽层的形状如上两图，可以看见底部2 3 处相连时，耗尽层 最平缓没有出现小曲率半径的地方，故而这时他的击穿电压最大，由此我们可 以看出：在这种栅型阱的情况下，不仅是阱的深度，宽度，填充物以及形状对 击穿电压有影响，阱的底部连通位置也有关，对于我们设计的晶体管选取在底 部2 3 处连通，这样不仅可以达到原先4 0 u r n 宽时才能达到的耐压效果，同时降 低了工艺难度，节约了芯片面积。 同时集电结处的阱的介质填充又和发射结处的又有所不同，因为它需要 承担提高击穿电压的功能。阱区内填充介质的介电常数越小，对改善阱终端 结构器件的击穿特性越有利，且填充介质的介电常数小于5 5 时，阱壁附近结 面电场变化不大，器件的击穿电压也趋于理想值的9 6 4 左右。由此可见，含 氧量较高的s i p o s 和s 。d 2 介质均是阱区合适的填充材料。填充介质的介电常 数越大，阱壁附近结面电场强度越高，主要原因在于：由于阱区外壁一侧为集 电区，外加的反向偏压实际上也同时加在阱区上，该电压将在p 型基区感应 出额外的负电荷，其增加的量与阱区内填充介质的介电常数有关。由电容的 计算公式c ：等：兰掣可知，在距离和面积均相等情况下，介电常数越大， 2 1 电子科技大学硕士学位论文 电容越大，在一定的外加反向偏压下，在p 型区感应出的负电荷越多，导致 正空间电荷产生的电力线在阱壁附近p 型基区越集中，因而结面峰值电场强 度较高，所以击穿电压更低。同时再考虑到热传导因素，我们采用有l u m 厚 的s d 的阱壁，其余填充多晶硅这样的结构。 场限环结构在提高。时被引入晶体管中，在p n 结周围增加环状p n 结( 环结) ，如图3 1 2 ： 图3 1 2 电场限制环示意图 环结与主结是同时扩散制成，环结与主结的距离d 较小。当对主结所加的反 向电压v 还低于主结的雪崩击穿电压时，主结的空间电荷已经扩展到环结 ( x 。= d ) ，使主结和环结的空间电荷区连成一片。此时，若进一步增加反 向电压，所增加的电压在表面处附近将由环结承担。这样，环结就相当于一 个分压器，故称为分压环。由于采用分压环，主结表面棱角处的击穿电压等 于v 和雪崩击穿电压之和，从而改善了棱角电场集中对p n 结雪崩击穿电压的 影响。例如，假定p n 结平面区域的雪崩击穿电压为i o o v ，在棱角处由于电场 集中，其击穿电压只有8 0 v 。若不加分压环，则主结的雪崩击穿电压只有8 0 v ， 如加上分压环，并且当主结反向偏压为v = 7 0 v 时，主结和环结的空间电荷区 连成一片，此时，若主结反向偏压继续增加，环结处于反偏。设环结的雪崩 击穿电压也是8 0 v ，则主结在表面棱角处的雪崩击穿电压为7 0 + 8 0 = 1 5 0 v ，即 大于平面结区域的雪崩击穿电压。所以，p n 结不会在棱角处击穿，而是发生 在平面结区域处的正常击穿。设计分压环时，关键在于适当地选择主结与环 电子科技大学硕士学位论文 结间的距离d 。若d 值太大，环结失去作用；若d 值太小又不能有效地降低电 场集中的影响。 电子科技大学硕士学位论文 4 。1 引言 第四章非线性基极镇流电阻 大功率管除了要求有较大的功率增益外，对功率晶体管的可靠性和 工作寿命也有较高的要求，因此许多国家从五十年代开始，就先后展开了电子 设备和元器件可靠性问题的研究瞄】。就硅器件而言，一般认为其结温每降低 1 0 。c ，工作寿命可提高一倍。因此，降低器件工作结温是提高硅双极晶体管工 作寿命的关键因素。另外，硅双极器件均具有温度一电流正反馈的特点，从而 使芯片局部区域电流集中，温度升高，形成热斑，严重时甚至发生热崩( 即电 流注入型二次击穿) ，造成功率管突然失效或烧毁。因此，二次击穿已经成为影 响功率晶体管安全使用和可靠性的一个重要因素。】1 2 4 1 4 2 方案的比较和确定 目前在器件设计中，防止熟击穿与二次击穿、提高器件可靠性较有效的措 施是采用发射极镇流技术，这一技术主要是在整个集体管内的每个发射极上串 入一个镇流电阻，如图4 1 ： b 图4 1 传统发射极镇流电阻 当晶体管局部区域由于电流分配不均使得流入某个小发射极条的电流比其 2 4 电子科技大学硕士学位论文 他的大，即发生电流集中时，其串连的镇流电阻上压降增大，发射结上正向电 压减小，从而使得该小发射极的注入电流自动减小下来，利用这一负反馈机 制最终使总电流比较均匀地分布在每个小发射极条上，防止或改善了电流集中 型二次击穿。然而对于面积较大的大功率管，即便采用了镇流电阻，由于管芯 中心与边缘区域散热条件的不同，温度仍容易集中在管芯的中部。而实验中也 发现，在烧毁的各类大功率管中，烧毁部分一般都集中在管芯中部。引入镇流 电阻虽然有利于改善电流集中型二次击穿，提高器件的二次击穿临界功率，但 同时也带来一些不利影响。尽管如此这一方案在传统设计中仍经常被采用，但 是效果仍嫌不够明显。 基于这一原理，可以分别在发射极，基极采用串连镇流电阻，在发射极一 基极之间也可以并联一结构。同时随着温敏电阻的出现，又可以用非线性电阻 如正温度系数温敏电阻代替传统线性电阻，甚至可以做成一个简单的电路结构。 通观这些方案，我们可以比较出各自其优缺点和实现难易程度： 1 发射极采用镇流电阻要求阻值大致为： 如“警( 式中乇代 表每个发射极条的电流，如是每个发射极条上的镇流电阻) ，这一数值一般来 讲是比较小的，如果用一简单结构，难以做到这样小的阻值；近年来，又在此 基础上对发射极镇流电阻做了各种各样的更新，就方法如垂直水平双向非均匀 镇流，就材料实现如p t c ，c t r 发射极热敏电阻，但是，为了达到较高的物性，就 对热敏电阻材料的制备提出了较高的要求，经过大量试验验证及参阅国内外相 关资料表明：采用一般半导体工艺( 溅射，c v d 工艺) ，在硅衬底上生长出包含 多种元素，组分比例严格受控。且物性良好的薄膜材料很难，因此尽管热敏电 阻具有几个数量级的域值跃变，具备很好的开关特性，但其与半导体工艺的不 兼容性，阻碍了该电阻材料在大功率晶体管中进一步的运用； 2 基极镇流，由于基极电流是发射极电流的1 ，所以基极镇流电阻应比 电于科技大学硕士学位论文 同等条件下发射极镇流电阻大口倍，这样前面提到的三种方法在这里都较容易 实现。但是，加基极镇流电阻会增加基极电阻，效果和同等条件下发射极镇流 电阻差不多，并且加大了基极电阻，对晶体管会产生不利的影响。音频管是属 于低频范围，一般是工作在几万赫兹下，采用基极镇流可以忽略基极电阻增大 对频率、器件面积的影响，所以这一方案在象音频管这样的低频大功率管中却 是适用的。 3 基极分流，在发射极基极之间也可以并联一结构，使之在常温时( 也 就是晶体管能正常工作的温度) 电阻要接近于夹断效果，而在高温时( 也就是 晶体管可能失效的温度) 电阻非常小，通过高温时对基极的分流来实现过温保 护。对于设计这样的非线性电阻难度太大，但如果加一个由温度控制的简单结 构来实现却是一个诱人的设想。 以下我们就讨论非线性基极镇流电阻的实现问题，考虑到热敏电阻工艺和 双极性晶体管工艺还不相容，再联系到j f e t 和m o s f e t 都有饱和区，在饱和 区的电阻非常大，而在深三极管区电阻比较小，考虑采用类似j f e t 的结构来 实现非线性电阻。纵向结构和电路原理图如图4 2 ，图4 3 ： 图4 2 类j f e t 结构 图4 3 电路原理图 电子科技大学硕士学位论文 这里我4 t i n 用发射极电压随温度的变化来使主要电阻区n 区夹断，使电阻陡增 从而实现比传统线性镇流电阻更好的镇流效果。 4 3 方案的计算和实现： 上述结构中，n 区为主要电阻区。它的电阻由于受到宽长比，耗尽层的延展 等因素的影响所以无法做到几十q 那么小，一般至少要上百欧姆。所以我们将 这一结构应用为基极镇流电阻，因为这样在同等条件下，基极镇流阻值需要做 到原发射极镇流阻值的卢倍，大概为上百欧姆，才有相同的镇流效果和副作用。 在一定发射结正偏压下，在放大区工作时随温度的变化除决定性因子 ? m还有exp(半)，因虬*exp学)*expki学) 对温度k lk l 求偏导有： 差嘉l ( 对于硅约为。7 v 左右) = = 学= 5 4 。c ( 室温时) ， 因此当温度上升1 5 0 0 c 时，。将上升约有7 倍左右，而对于硅管最高允许结温在 1 5 0 。c 2 0 0 。c 范围，因此从室温上升到允许结温时，。将上升7 9 倍之大。即 使对于一个传统的镇流电阻，其上压降为0 2 v 左右，当温度上升1 5 0 。c 时，压 降都要升到1 4 v 左右，这一电压足以使得上述的类似j f e t 结构的p + 一的反 偏耗尽层宽展到1 1 区被夹断的宽度，使得n 区电阻急剧增大。 同时，半导体材料的电阻率本身就是随温度变化而变化的【2 卯，如图4 4 ： 电子科技大学硕士学位论文 言 p g 奄 蕾 雹1 _ i 1 1 0 00 1 0 02 0 0s d o 鏖r ，c 图4 4 硅电阻率与掺杂浓度，湿度的关系曲线 从中可以看见掺杂在1 0 ”以下，温度在0 2 0 0 摄氏度，1 1 型s i 的电阻率随 温度升高而升高。镇流电阻区的杂质浓度选取1 0 “时更有利于我们设计这一类 似正温系数电阻的结构。 首先我们任取一晶体管，在共发射极接法下进行p s p i c e 模拟【2 6 j ，黼j f e t 的情况下的电路图如下： 图4 5 无j f e t 电路图 进行o _ _ 3 0 0 。c 的直流扫描，得到集电极电流i ( c ) 随温度的曲线 2 8 电子科技大学硕士学位论文 图4 6p s p i c e 温度扫描 从图中可以看到i ( c ) 随温度成直线上升。加入n 沟道的j f e t ( v t o = - 1 4 v ) 后 的电路图如下： 图4 7 加入j f e t 后电路图 温度扫描结果如图： 2 9 电子科技大学硕士学位论文 图4 8p s p i c e 温度扫描 由图可以看到在2 0 0 摄氏度开始电流开始下降，由此证明我们的设想是可 行的。 这里我们音频晶体管，有1 5 1 5 个小单元，= 1 0 a ，= 7 0 采用圆环 形基极条结构，横向、纵向结构如图： 图4 9 晶体管横向结构和p 阱位置 图4 1 0 晶体管纵向结构和p 阱位置 3 0 电子科技大学硕士学位论文 这为其中局部的大致结构，大圈为基区，其余区域都为发射区，黑色小圈 为接触金属，在基区周围有4 个p 阱，并且用s ，d ：隔离开，非线性镇流电阻就 做在其中，并且每一个基极对应4 个非镇流电阻。在运用时p 阱接地，这样靠 绝缘的s ，瓯和反偏耗尽层实现隔离【2 7 1 。j f e t 结构的门电压接地。 这一方案的实现关键还在于电阻区n 区的参杂，厚度，宽长比这几个因素 决定。这里取r l 区厚1 5 u r n ，宽长比为1 0 ，且要注意n 区不能太短，否则会由 于短沟道效应，而出现不能夹段断现象。计算的主要数值和过程如下：起始电 阻r = 1 5 三一1 0 4 = 2 5 0 q ，由此计算在电阻没有变大，工作在最大电 1 5 1 0 x 4 流的假设条件时，室温时每个单元基极镇流电阻上的压降为k = 0 2 v ，温度上 升约2 0 0 度时，k 上升为1 8 v 左右，由k 来控制p + 一n 耗尽层的延展宽度， 根据耗尽层的宽展公式：x a ：1 p j , o , s l 。v ，, - v i ( 对于单边突变