高频功率晶体管设计实例

1、组别：志贤队组员：李嘉雄谢帆斌刘志贤王业许纯锴（组长）2019 年 7 月 24 日星期三高频功率晶体管设计双极型晶体管（ BipolarTransistor）由两个背靠背PN 结构成的具有电流放大作用的晶体三极管。起源于1948年发明的点接触晶体三极管，50年代初发展成结型三极管即现在所称的双极型晶体管。双极型晶体管有两种基本结构：PNP 型和 NPN 型。在这 3 层半导体中，中间一层称基区，外侧两层分别称发射区和集电区。当基区注入少量电流时，在发射区和集电区之间就会形成较大的电流，这就是晶体管的放大效应。双极型晶体管是一种电流控制器件，电子和空穴同时参与导电。同场效应晶体管相比，双极型晶

2、体管开关速度快，但输入阻抗小，功耗大。双极型晶体管体积小、重量轻、耗电少、寿命长、可靠性高，已广泛用于广播、电视、通信、雷达、计算机、自控装置、电子仪器、家用电器等领域，起放大、振荡、开关等作用。这里设计的高频大功率晶体管将用于甲类放大,其设计指标如下 :放大倍数 Au工作频率 Ff功率增益效率 efficiency输出功率功耗非线性失真系数THD （ Total harmonic distortion ）-( 由于功率管的非线性和大信号的运用，易产生非线性失真，要考虑）双极型晶体管极限参数一：一般考虑在共发射极甲类运用时,根据图 4-1,晶体管的集电极与发射极之间应当能承受的电压峰值为2vc

3、c，故根据式Ic=Vce/RL,最大集电极工作电流为Ic=2Vcc/RL根据式Pc=Ic2*RL,最大耗散功率为Pcm 主要与热阻区面积 Ab ，芯片厚度t 有关。效率最大理论值为50% ，但由于效率小于50% ，输出信号功率Po, 热量的耗散功率为RT 有关，而热阻又与基vces,Iceo的存在，实际最大耗散功率晶体管的最高结温为增加 5倍。Tjm=150200摄氏度；当Tjm由200 降到150 时，平均失效时间可最大集电极耗散功率最大集电极电流ICM:使 b 下降到正常值的时的集电极电流称之为集电极最大允许电流。极间反向击穿电压：晶体管的某一电极开路时，另外两个电极间所允许加的最高反向电

4、压即为极间反向击穿电压，超过此值的管子会发生击穿现象。温度升高时，击穿电压要下降。是发射极开路时集电极- 基极间的反向击穿电压，这是集电结所允许加的最高反向电压。是基极开路时集电极-发射极间的反向击穿电压，此时集电结承受的反向电压。是集电极开路时发射极- 基极间的反向击穿电压，这是发射结所允许加的最高反向电压。温度对晶体管的影响：是集电结加反向电压时平衡少子的漂移运动形成的，当温度升高时，热运动加剧，更多的价电子有足够的能量挣脱共价键的束缚，从而使少子的浓度明显增大，ICBO增大温度对输入特性的影响：温度升高，正向特性将左移。温度对输出特性的影响：温度升高时增大。当工作频率 f=2GHz 时

5、,要获得功率增益 Kp=10dB, 则特征频率 ft 应该选得稍高一些。如选取 ft=3.6GHz, 但频率不能无限制增大，有可能会造成线性失真，导致功率减小。晶体管对 Cob,rbb,Re 和 Le 的要求也是很高的。为此可考虑采取以下措施。（1）采用砷硼以离子注入工艺，以获得较小的基极电阻rbb,和较小的基区宽度 Wb.（2）采用 1um 精度的光刻工艺，以获得较小的发射区宽度Se，从而降低 rbb,和各势垒电容.（3）其区硼离子注入剂量不宜过低,以降低 rbb,并保证基区不到在工作电压下发生穿通.（ 4） 采用多子器件结构 ,将整个器件分为四个子器件 ,每个子器件 的输出功率为 0.25

6、W,最大集电极工作电流 为 0.5A, 热阻为 200C/W. 这种考虑有利于整个芯片内各点的结温均匀化 ,从而可降低对镇流电阻Re 的要求 ,因此可以选取较小的Re 以提高 Kp.（ 5） 对部分无基区进行重掺杂而形成浓硼区,这样可以减小 rbb,同时还可因为浓硼区的结深较深而提高集电结击穿电压 .（6）由于输出功率并不太大,流经发射区金属电极条的电流也不大,考虑到梳状结构发射区的有效利用面积较覆盖结构的大,故在设计方案采用梳状结构,这样可以因结面积的减小而合各势垒电容变小.特征频率：由于晶体管中PN 结结电容的存在，晶体管的交流电流放大系数会随工作频率的升高而下降，当的数值下降到1 时的信

7、号频率称为特征频率。共射级输入特性曲线：描述了在管压降UCE 一定的情况下，基极电流iB 与发射结压降uBE 之间的关系称为输入伏安特性，可表示为：硅管的开启电压约为0.7V ，锗管的开启电压约为0.3V 。共射级输出特性曲线：描述基极电流IB 为一常量时，集电极电流iC 与管压降uCE 之间的函数关系。可表示为：双击型晶体管输出特性可分为三个区截止区：发射结和集电结均为反向偏置。IE0 ， IC0 ， UCEEC，管子失去放大能力。如果把三极管当作一个开关，这个状态相当于断开状态。饱和区：发射结和集电结均为正向偏置。在饱和区IC 不受 IB 的控制，管子失去放大作用，UCE0 ， IC=EC

8、 RC ，把三极管当作一个开关，这时开关处于闭合状态。放大区：发射结正偏，集电结反偏。放大区的特点是： IC 受 IB 的控制，与UCE 的大小几乎无关。因此三极管是一个受电流IB 控制的电流源。特性曲线平坦部分之间的间隔大小，反映基极电流IB 对集电极电流IC 控制能力的大小，间隔越大表示管子电流放大系数b 越大。伏安特性最低的那条线为IB=0 ，表示基极开路，IC 很小，此时的IC 就是穿透电流 ICEO 。在放大区电流电压关系为：UCE=EC-ICRC,IC=IB在放大区管子可等效为一个可变直流电阻。极间反向电流：是少数载流子漂移运动的结果。集电极基极反向饱和电流ICBO：是集电结的反向

9、电流。集电极发射极反向饱和电流ICEO：它是穿透电流。ICEO与 ICBO的关系：I CBOI CEO(1) ICBO1二纵向结构参数的选取1. 集电区外延材料电阻率的选取BVCEOBVCBOn1根据式,得 BVceo=40V, 取 b=40,则 BVcbo=100V .近似认为集电结为单边突变结, 根据式 .,在要求 BVcbo=100V 时,求得.相当于 . .2.基区宽度 Wb 的选取在选定特征频率Ft=3.6GHz, 就要求.在微波范围内 ,这个频率不算太高 ,这时各时间常娄中占主要地位的是. 和 .当 Vce=20V 时 ,集电结耗尽区宽度 .,并取得 .可见rd 已接近于rec 的

10、 1/3.若选取.3. 集电结结深 Xjc 发射结结深 Xje 及杂质浓度的选取采用砷硼双离子注入工艺不考虑发射区陷落效应.根据常规 ,在基区宽度Wb 不太小时 ,可取 Xje/Wb=1, 即选取 Xje 为 0.25um,Xjc 为 0.5um.这样已够避开外延层的表面损伤层.为了满足 Xjc=0.5um, 选取基区的硼离子注入能量E1=60keV,注入剂量.由式,得注入硼的最大浓度为Nmb=4.25 x 1018cm-3。由式,得集电结结深为Xjc=0.51um，于是得发射结结深为Xje=0.26um。.由式,得发射结处的杂质浓度梯度为aje=1.83 x 1023cm-4再由式,得基区平

11、均杂质浓度为=1.16 x 1018cm-3 。发射区正下方的有源基区方块电阻为取射区空空迁移率Up=120cm2/Vs。 Rb1=1.76 x 103欧。发射区与浓硼区之间的无源基区方块电阻为式中,对于浓硼区的集电结结深Xjc, 可初步选取为1um 左右 .当浓硼的注入能量为注入剂量为Nb3=2 x 1015cm-2时，其方块电阻为Rb3=5 欧 。E3=140KeV ,对于发射区 ,砷注入的表面浓度NES=5 x 1020cm-3 。4. 外延厚度的选取根据式.,外延层厚度W 外应满足当 Vbc=BVcbo=100V 时 ,浓硼区集电结的耗尽区宽度为.考虑到,故应选取W 外=8um综上所述

12、 ,纵向结构设计得到的参数如下:淡硼基区结深x jc =0.51 mx发射结外的杂质浓度梯度a je =1.83 ×1023 cm-4基区宽度 W B =0.25 m淡硼基区硼离子注入能量 E1 =60keV13淡硼基区硼离子注入剂量N B1 =8× 10 cm-2有源基区方块电阻RB1 =1.76 × 103无源基区方块电阻RB2 =1.3× 103砷离子注入发射区表面浓度N ES =5 × 1020 cm 2浓硼区结深x jc =1m浓硼区硼离子注入能量E3 =140keV浓硼区硼离子注入剂量N B 3 =2× 1015 cm 2

13、浓硼区方块电阻R B3 =5外延层杂质浓度N C =5 × 1015 cm 3外延层电阻率 C=1 · cm衬底电阻率 衬 =0.01 · cm三横向结构参数的选取1. 发射区宽度 Se,长度 Le,和条数 n 的选取根据式 .,大电流时的发射区有效半宽度为y0=0.278um式中 ,取 Un=320cm2/V .s ， Up=120cm2/V .s 。由于发射区宽度Se应稍大于 2yo, 并考虑到光刻精度为1um,故选取 Se=1um.应该指出的是,尽管采用了离子注入工艺 ,仍会有一定的杂质横向扩散 ,使实际得到的发射区宽度 Se 略大于光该掩膜版上的发射区宽度

14、 .下面的选取浓硼区宽度 Sb 时也有这个问题 .在设计掩膜版时必须考虑到这个因素.发射极金属电极条的宽度Dm 应略大于发射击区宽度Se,可取 Dm=1.5um. 根据 3.7.3 节给出的确定发射极金属电极长度Lm=26um, 于是可选取发射区长度Le=25um.在确定 Se=1um 和 Le=25um 后 ,可算出每一单元发射区的周长.如果知道了发射区总周长Le,将其除以单元发射区的周长Le,就可得到单元发射区的数目n .根据式 (3-180), 发射区总周长为Le=Icmax/io. 式中的 Io 代表发射区单位周长的电流容量,可由式 (3-184) 求出 ,既.对于 Ft=3.6GHz

15、 的微波功率晶体管,由于基区宽度Wb 很窄 ,大电流下 b 和 Ft 的下降是由于基区扩展效应,因此最大电流密度Jcmax 应以下不发生基区扩展为标准,由式 .得利用上式的Jcmax 数值和已经选取的可算得.当 F=4002000MHz时 ,io 的经验数据为0.40.8A/cm, 稍加一定的佘量后可初步选取Le=0.36cm. 最后可得单元发射区的数目为.将 72 个单元发射区分成四组,每组为一个子器件,每一个子器件有n=n/4=18 条发射2子器件基区面积(即集电结面积)的选取根据上面已经选取的单元发射区的宽度Se,长度 Le 和每一个子器件中器件中单元2发射区的数目n,可以得到每一子器件

16、的发射击区面积为基区面积 Ab 的上限由晶休管的频率特性决定,而下限则由所要求的热阻Rt 决定 .现选取浓硼区宽度为Sb=22um,发射区与浓硼区间距离为d=1um,发射区金属化电极条宽为1.5um,基极金属化电极条宽为1.0um,所构成的梳状结构的子器件如图 4-19 所示 .子器件的基区宽度为单元发射区长度Le=25um 加上两端的间距,即 28um.子器件的基区长度为子器件中 18 个单元发射区宽度 Se=1um,19 个浓硼区宽度 Sb=2um 和 38 个间距 d=1um 之和 ,为 95um. 因此 .子器件的基区面积 Ab( 即集电区面积 Ac) 为 Ab=28*95=2660u

17、m2虽然现在还不能判断上述 Ab 是否满足频率的要求 ,但可以先核对这一部分热阻 .对每一子器件来说 ,热源 (即集电结 )的 D/c-3, 硅片厚度 F 选为 200um,在 A/B 外所对应的纵坐标为(RtkCD/F)=0.12, 故得子器件的硅片热阻为.由于 4 个子器件的并联的,所以整个晶体管的硅片热阻约为27 度 /W.对整个晶体管热阻的设计要求是小于 50 度 /W.可以 看到 ,当取 Ab=2660um 平均时 ,晶体管的硅片热阻比设计要求的热阻小得多 ,所以该 ,所以该 Ab 是满足热阻的要求的 .3镇流电阻的选取根据式 . 可确定每个单元发射极上的镇流电阻Rei.因为已经采用

18、了多子器件结构,且热阻有较大的祭量,所以对镇流电阻的要求可以降低些,故可取选取镍铬薄膜作为镇流电阻材料,选取其.镇 Dmr 就是发射极金属化电极条的宽度Dm, 即1.5um, 由式 (4-25b) 可得镇压流电阻的长度Lmr为18um. 子器件的镇流电阻Re为.综上所述 ,横向设计得到的参数如下:单元发射区宽度Se=1um单元发射区长度Le=25um子器件听发射区数目n=18浓硼区宽度Sb=2um发射区与浓硼区间距D=1um子器件的发射区面积Ae=450um 平方子器件的基区面积Ab=450um 平方发射极金属化电极条宽度Dm=1.5um基极金属化电极条宽度Db=1.0um连接各子器件发射极的

19、内部金属化条宽度=15um连接各子器件基极的内部金属化条宽度=4.5发射击极延伸电极直径60um基极延伸电极直径24um四主要参数的核算下面根据初步选定的纵向结构参数和横向结构参数对子器件的Fr 和 Kp 进行核对，以检验上述设计是否满足要求。1 特征频率 FT包括各寄生参数和发射极镇流电阻的作用在内的特征频率FT 可表示为1FT =2eebbcbbdcc.分母中增加的te 代表集电阻电容经发射极镇流电阻的充，放电时间常数。下面来逐项计算上式分母中的各个时间常数.(1)根据式.发射区延迟时间.式中 ,De 取 2cm 平方 /S.(2)根据式 .,发射结势垒电容 Cte 的充 ,放电时间常数T

20、eb 为 . .式中 ,Ie 代表子器件的工作点电流,其值为子器件最大电流的一半,或 Icmax=0.2A=1/8, 即Ie=25mA. 发射结外于正偏 ,其势垒电容 Cte 可表示为式中 ,代表零偏时的单位面积发射结势垒电容,即.将发射结外的杂质浓度梯度. .和室温下的.代入,可求得Vg=0.81V,再将已经确定的子器件发射区面积和子器件工作点电流Ie=25ma 代入 Teb,得(3)根据式, 集 电 极 电 容 Cob经 基 区 的 充 , 放 电 时 间 性 常 数 Tbc为.式中 ,集电极电容Cob为集电结势垒电容Ctc ,adse 延伸电极的 MOS 电容Cbc(pad)和管壳电容之和 .有源基区下方的集电区宽度为.由于在热氧化为.于是可求得了子器件的Ctc 为.整个晶体管的延伸电极和内部基极电极金属化连线的总面积Apad 为取氧化层厚