半导体器件设计与实验

1、北京工业大学半导体器件设计与实验课程报告题目：微波低噪声晶体管设计院系：信息学部专业班级：150273第2组成绩成绩成绩学生1：谭祖雄学生学号：15371201学生2：于书伟学生学号：15027321学生3：张亮学生学号：15027324指导教师：武利起止时间：201805201806半导体器件设计与实验课程报告 目录TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 摘要3 HYPERLINK l bookmark8 绪论4 HYPERLINK l bookmark10 引言4 HYPERLINK l bookmark12 历史及发展趋势4 HYPERLINK l boo

2、kmark14 本文研究的主要内容5 HYPERLINK l bookmark2 设计方案6 HYPERLINK l bookmark16 设计指标6 HYPERLINK l bookmark20 设计原则6 HYPERLINK l bookmark24 纵向结构参数的选取7横向结构参数的选取12 HYPERLINK l bookmark40 梳状结构版图绘制14单元横向参数14 HYPERLINK l bookmark42 管芯单元版图示意图14版图绘制软件L-Edit14 HYPERLINK l bookmark44 版图设计15L-Edit中工艺的模拟19 HYPERLINK l boo

3、kmark46 管壳设计23 HYPERLINK l bookmark48 主要参数的验算24 HYPERLINK l bookmark50 特征频率的计算24噪声系数Nf25 HYPERLINK l bookmark54 功率增益Kp26 HYPERLINK l bookmark58 测试实验28 HYPERLINK l bookmark60 晶体管特性电参数的测量28 HYPERLINK l bookmark70 晶体管开关参数的测量29 HYPERLINK l bookmark74 晶体管高频参数的测量34 HYPERLINK l bookmark80 考试内容40 HYPERLINK

4、l bookmark82 横向参数40 HYPERLINK l bookmark90 绘制覆盖式晶体管光刻版图40 HYPERLINK l bookmark92 书中错误41 HYPERLINK l bookmark100 总结42 HYPERLINK l bookmark134 参考文献451摘要微波低噪声晶体管是通信系统接收端的关键电子器件，广泛应用于雷达、通信、卫星、导弹等领域内，对经济和军事领域的发展都有极其重要的意义。同时，其在接收系统中能降低系统的噪声和接收机灵敏度，是接收系统的关键部件。本实验按照低噪声放大器电路的设计要求，完成了1GHz射频低噪声放大器的芯片设计，并通过L-Ed

5、it软件完成了版图的绘制、工艺流程的仿真以及对其进行优化。最终表明，采用本方案设计的LNA增益约为15.3dB，噪声系数约为2.4dB,性能稳定，满足设计要求。关键词：微波；低噪声；缓冲基区；梳状结构；噪声系数AbstractThelow-noisymicrowavetransistoristhepivotaldeviceofthesinkofcommunicationsystems.Itiswidelyappliedtoradar,communications,satellite,missilery,etc.Also,itisveryimportancetothedevelopmentbot

6、hofeconomyandmilitary.Inthemeantime,itwouldreducethenoiseandreceiversensitivityinthereceivingsystem,andhowever,isalsothekeycomponentofthereceivingsystem.Inthispaper,inaccordancewiththedesignrequirementsoflow-noiseamplifiercircuitthefront-endRFbasestation1GHzlownoiseamplifierchipdesigniscompleted,and

7、usetheL-Editsoftwaretoaccomplishthelayoutdrawing,processflowsimulationandoptimizedit.Theexperimentresultsshowthat,designedaccordingtothisscheme,thelow-noiseamplifier(LNA)gainisabout15.3dB,noisecoefficientabout2.4dB,andtheperformancequitestable,fullymeetingtherequirements.Keywords:microwave,LNA,buffe

8、rbase,combstructure,noisecoefficient2绪论2.1引言射频前端低噪声放大器(Low-noiseAmplifier,LNA)电路是无线电设备前端电路设计中的重要组成部分。在实际的接收机接收信号时，信号的强度往往很低同时夹杂着各种噪声，因此其射频前端电路中必须考虑采用LNA。LNA在满足高增益的同时需要降低噪声，但是增益的大小受到后面混频器的影响。因此,对系统的接收灵敏度提出了更高的要求。系统接收灵敏度可用下式进行描述:SSmindB一174dB+叫dB+10lgBW+NdB#2-1由上式可见，在各种特定(带宽、解调S/N已定)的无线通讯系统中，能有效提高灵敏度的

9、关键因素就是降低接收机的噪声系数N,而决定接收机的噪声系数的F关键部件就是处于接收机最前端的低噪声放大器。低噪声放大器的主要作用是放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，以供系统解调出所需的信息数据，所以低噪声放大器的性能优劣对整个通信接收机来说是至关重要的3-4。2.2历史及发展趋势微波低噪声放大器可以用不同的器件来实现。现如今主要存在量子放大器，参量低噪声放大器和晶体管放大器。另外行波低噪声放大器5，隧道二极管低噪声放大器5-6、雪崩二极管低噪声放大器7和耿氏二极管低噪声放大器8也有应用高温超导低噪声放大器9也是当前的热点。自从1947年贝尔实验室的WilliamShockley、J

10、ohnBardeen和WalterBrattain成功制成第一个点接触型晶体管以及1952年开发出双极晶体管(BipolarJunctionTransistor,BJT)开始，晶体管放大器便以极快的速度发展。不但性能越来越好，而且种类繁多，呈现百花齐放的情况，如今晶体管已经是现代微波系统中的关键器件。异质结晶体管(HeterojunctionBipolarTransistor,HBT)是在20世纪80年代发展起来的新型半导体材料12，在80年代末获得了突破性进展，表现出良好的高频性能，其研究领域也越来越广泛，因而逐渐受到人们的重视。与硅双极结晶体管相比异质结晶体管速度更快，噪声更低，功耗更小，

11、是微波功率所必需的器件。微波/毫米波因具有波长短、波束窄、频带宽、穿透能力强等一系列特点，从而使其器件和电路处在当今微电子技术的重要发展前沿。微波/毫米波器件及其电路的地位日渐提高，以致使它成为突破或制约尖端技术的关键，已引起美国、日本、西欧等国家的极大关注。早在1990年美国就把微波半导体功率器件及其电路列为国家发展战略的核心技术，投入大量的人力、物力、财力制定计划并组织实施，微波/毫米波器件及其电路的应用领域，大量集中在雷达、通信、电子战等方面。微波一般是指300MHz3000GHz，表2-1为波段的划分10本文设计的晶体管工作频率为1GHz，属于微波波段。表2-1波段的划分波段名称波长范

12、围频率范围频段名称超长波10010km330kHz甚低频（VLF）长波101km3003000kHz低频（LF）中波1000200m0.31.5MHz中频（MF）短波2010m1.530MHz高频（HF）超短波101m30300MHz甚高频（VHF）分米波10010cm0.33GHz特高频（UHF）厘米波101cm330GHz超高频（SHF）微波毫米波101mm30300GHz极高频（EHF）亚毫米波10.1mm3003000GHz超级高频（SEHF）本文研究的主要内容不同的电子设备和电子线路对晶体管的功能都有不同的要求。除了对直流特性都有一定的要求外，在其他特性方面，则往往只对其中的某几种特

13、性有要求。从晶体管的发展趋势来看，总是向着提高工作频率、增大输出功率、降低噪声、提高开关速度、提高可靠性和降低成本等方面发展。从设计的角度看，各种特性之间存在着许多相互制约的矛盾。晶体管的设计就是要很好的处理这些矛盾，将所要求的几种特性在一个晶体管中得以实现。具体来说，就是在理论的基础上，结合实际工艺条件进行全面的分析考虑，从中找出折中的方案。要指出的是，对于一个晶体管的设计不可能做到面面俱到，十全十美，而是必须要有所侧重，突出满足一些主要特性，牺牲一些次要特性。同时还要注意尽量采用工艺制造难度小的设计方案，以提高成品率，降低制造成本。微波低噪声晶体管在目前仍有一定的市场，其主要参数指标为高的

14、频率特性和低噪声系数，然而功率、频率与低噪声之间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。本文将按照设计工作指标完成一个微波低噪声晶体管的初步设计。本次实验设计预期目标为：工作频率/=1GHz，最大耗散功率PCM=50mW，最大工作电流/=10mA，电源电压U=10V，噪声系数N15dB。3设计方案3.1设计指标根据绪论部分所述，本实验设计指标如下f=1GHzPCM=50mWICM=10曲%=5VN15dB3.2设计原则3-1晶体管的高频优值和噪声系数通常是微波晶体管设计的主要理论基础。根据，K=工#p8nf

15、2rCbc可以推得下式，Kpf28nr1Cb3-2抵“的乘积必须用分布参量bC对于微波晶体管，公式（3-2）必须加以修正11，表示。基极电阻rb和集电极电容Cr的各个分量如图3-1所示。其中各部分的优化,bC如宋南辛的晶体管原理137.5.4部分所示。图3-1梳状结构微波晶体管示意图纵向结构参数的选取纵向结构设计，即材料和扩散参数的设计。包括：基片的电阻率和厚度；外延层的电阻率和厚度；集电极结深；发射结结深；淡硼基区扩散表面浓度；浓硼区扩散表面浓度；发射区扩散表面浓度等。几的选取如图3-2所示，如,是基极电阻，fT是截止频率。fT高的晶体管如,一定较大，反之/低的晶体管rbb，一定较小。在微波

16、低噪声的设计中就必须考虑折中设计。图3-2不同/晶体管的和f的关系示意图在一般情况下，选取舟/Z1.7，为得到小的噪声系数，就必须取较大/，本次设计指标的工作频率f=1GHz，选取舟=4GHz。本次实验采用如图3-3所示的具有缓冲基区的结构。一般缓冲基区的表面浓度得比P+浓硼区的表面浓度第50倍。衬底采用电阻率为0.0012cm掺锑的n型硅单晶片。、P+严IV丄逍艸mI0.20.3nm图3-3具有缓冲基区的微波低噪声晶体管外延层电阻率和集电区宽度wc的选取为了减小比$和Gc，在设计中采用正常工作时集电区穿通这一典型方法。在微波低噪声晶体管中，工和。两时间常数已不能再忽略。为了减小时间常ca数一

17、般在满足集电结击穿电压的条件下，使集电结处于正常工作电压时，集c电结的耗尽区正好扩展在外延层衬底，即外延层穿通，此时比$具有最小值。同时集电结势垒电容亦具有最小值。工作电压不应超过BVrKn的1/4。这样设计微CECBO波低噪声管集电区的依据是：第一，在工作电压vrF时集电区刚好穿通；第二，CE取工作电压冬E等于/5。在叫叫图中画出%E、2、5、10、20、50、100V各直线和.ox105V/cm直线，就构成了工作于集电区穿通情况下的集电区设计图，如图1T所示。由所选取的工作电压及其对BVrRn的要求，就可由卩严和两直线的交点查出相对应的貯和。这样设计的集电区在工作电压为Vrp时集电区刚穿通

18、并保证CCCE%。为乙的5倍。010.20.4D.6124610图3-4工作于集电区穿通情况下的集电区设计图根据设计指标=6V，由公式cc%。=弄=%=2x5=10取0=80，s=4，BVcbo=30V，工作电压%=(16)BVceo=5U根据图1-1，由U=5V和=1.0 x105V/cm两直线交点,CEmax查得外延层杂质浓度和集电区宽度为Nc=8x1015cm-3、wc=1.4m故外延层电阻率为Pc=18=1qNc=11.6x10-19x1200 x8x1015=0.650cm基区宽度Wb的选取在选定特征频率/t=4GHz后，就要求Tec12nfT=39.8x10-12s，在微波范围内，

19、这个频率并不算太高。取V=6x106cm/s，在选定W=14如后，t就max1Cd随之确定了：叫2Vmax1.4x10-6=2x6x106=1.17x10-11s采用砷硼双离子注入工艺科不考虑发射区陷落效应，考虑到光刻精度，选取W=0.2“m，这样对其他的时间常数则可放宽一些要求。因D=10cm2/s，则BBTb=叫24Db=10 x10-12s集电结结深啖、发射结结深喩的选取在基区宽度选取后，有x=x.+Wr。在此选用砷扩散发射区和硼离子注BcjeB入基区工艺，砷扩散发射区的杂质分布近似为矩形。离子注入基区的杂质浓度按高斯函数分布，其浓度分布函数为NBxJexp(-(X_Rp22nR.pb2

20、R,2pb初步选取硼的注入能量为80keV,注入剂量为=3.5x1013/cm2，由表3-1,可得表3-1砷和硼离子注入硅中时的能量与相应的RP、ARP值能量（keV）20406080100120亠ip140pg160180200硼rp765156623373081381045025163580064187014%346580752889100711061190126213271368砷rp15026236847357768278889410011100呵5696133169204237269302334368最大浓度的位置为R,=3.08x10-5cm，标准投射偏差为R1=8.89x10-6

21、cm，pbpb带入公式，可得注入硼的最大浓度为NDmB集电结结深为2兀R,pb3.5x1013-=1.57x1018cm-32nx8.89x10-6=3.08x10-5+Xjc=Rpb2Ri(Inpb122x8.89x10-6x(In1.57x10188x101512=5.97x10-5cm发射结结深为x=xWn=5.09x10-52x10-5=3.97x10-5cmjejcB同理可算得缓冲基区结深x【=6.15x10-5cm.在发射结处的杂质浓度梯度为aje=N聞(恪一R“bexv(-也-R“b2R,2P(2R,2pbpb1.57X1018X3.97X10-5-3.08X10-53.97X1

22、0-5-3.08X10-528.89x8.89x10-12=eXp(2X8.89X8.89X10-12=1.07x1023cm-4因此，我们可以根据下式推得平均杂质浓度。Ng/x.-R債x.-R債N=WB(erferf=2.77X1017cm-3B2(%Pe)l2叫b2叫b由此下式可以求得发射区正下方有源基区的方块电阻，其中空穴迁移率11r=WB1q%xjcNBdX鸣(xjc_Xje)NBxje1气=120cm2/VSo=1.6X10-19X120X2X10-5X2.77X1017刑-3=941X103屮同理，可以算得缓冲基区方块电阻Rwb2=4.69X103Q/W。(5)砷离子注入表面浓度g

23、与外延层厚度W的选取ESepi要使发射极注入效率y趋近1,必须有RwbiRwb，即发射区的杂质总量比基区杂质总量大得多，故降低基区杂质浓度NB能提高y。但降低NB将使基区电阻和,B1Bbb增大，从而导致功率增益Kp下降，大电流特性变坏。因此，一般总是采用提高发射区浓度的方法来获得较高的注入效率。由于发射区的重掺杂会使迁移率及扩散系数下降，禁带变窄，俄歇复合增强，这些不但不能再提高注入效率，相反会使其下降。因此发射区掺杂浓度不能太高，一般其表面浓度要限制在5X1020cm-3以下，本次设计取砷离子注入的表面浓度N“=2x1020cm-3。ES在考虑到衬底杂质反扩散距离習并留有一定余量尤后，外延层

24、厚度W.应为/yepi%込+亏+牛+&。勺为浓基区下的集电区厚度，取0m，今主要由衬底杂质的扩散系数和外延时间所决定，一般只能按经验估计,一般取X严X=0.6“m，/丿C&的引入是考虑到在氧化过程中要消耗一部分硅以及各道工序中因不定因素引入的误差，提咼工艺精度可以减小。故取W.=5p.m=5X10-4cm。yepi(6)纵向结构设计参数综上所述，纵向结构设计的参数如下：外延层杂质浓度NC=8x1015cm-3外延层电阻率pC=0.65Qcm集电区宽度WC=1.4x10-4cm基区宽度W=2x10-5cmB硼离子注入淡基区结深xjc=5.97x10-5cm硼扩散浓基区结深x.=6.15x10-5

25、cmjc砷扩散发射区结深x.e=3.97x10-5cm.e硼离子注入能量80keV硼离子注入剂量Nwb=3.5x1013cm-2外延层厚度W=5x10-4cmepi基区薄层电阻Rwb1=9.41x103Q/W注入基区薄层电阻RWB2=4.69x103Q/W砷离子注入表面浓度N=2x1020cm-3ES横向结构参数的选取在图形结构方面，一般微波低噪声晶体管都采用具有P+区的梳状结构。将发射区分割成许多狭长的发射区，并用金属化电极条把他们并联起来，再在这些狭长的发射区之间配置并联的基区电极条，这样就构成了梳状结构。在一般梳状结构中，发射区的长度2比发射区的宽度大得多。e梳状结构的主要优点是工艺上比

26、较简单，在每一发射极上可以制作填充电阻，并且发射极电极条和浓硼区之间没有跨越。主要缺点有光刻对准较为困难、电极金属条失效前的平均寿命小、发射区电流分布不均匀等14。15发射极条宽S、条长1和条数n的选取ee发射极宽度S般应稍大于两倍发射极有效半宽度。选取S的原则是在能满ee足设计指标的前提下尽量选的大一些。现代微波晶体管在不同的工作频率下所采用的S值列于下表e表3-2现代微波晶体管在不同的工作频率下所采用的S”值f(GHz)Se(“m)1.05.01.02.02.52.04.01.74.06.01.2再根据目前的工艺技术水平，本次设计选取发射极条宽度S=2m，发射区e与浓基区边沿之间的距离Se

27、b=1.5艸。发射极总周长Lf由最大电流密度J,决定，现代的微波低噪声晶体管的线电Eeml流密度通常选取在0.40.8A/cm之间，取J,=0.5A/cm。根据指标要求/=10mA，得到所需发射极总周长为u=I/、=2x10-2cm，根据下表数据，选取EcmcmllS=17.5。ee表3-3工作频率f、输出功率卩0、与leSe对照表工作频率f(MHz)输出功率P0(W)发射极条长/发射极条宽1See15010103050010101000104GHz,满足设计要求。62噪声系数叫微波晶体管的最小噪声系数表达式为F.=1+u+2u+U2。式中hh1mmu=2gjhh=其中B0为共基极电流放大系数

28、的低频值，根据测试条件，取勺=0.94。f为共基极截止频率，其定义为b由低频值勺下降到勺2所对应的频率。由特征频率定义可知，f是共射极增益0=1时所对应的频率，又因为低频时a=BB+11，故可大致认为a=a0时，其对应的频率为f。由公式f=hfh龙可知增益与频率的乘积为常数，所以当a0下降到a02时，共基极截止频率龙相应的增大到2fT。fa=2fT=1.414X5.33X109=7.53X109Hz=7.53GHz3db分贝倍频程段f图6-1增益与频率关系曲线I3db电濡増益V是基极电阻,对于梳状结构,hh1Rh,SRh2Shh1e+h2hv,hh2n61Iee=48.50=29.41X103

29、X2X10-44.69X103X5X10-4+6X3.5X10-33.5X10-3V是发射极电阻,ekTV=-eq【E所以1一+hh=210.94+丄7530.9448.5X0.0265X10-3=0.1642u+u2=1+0.164+2X0.164+0.1642=1.76F=1+u+min用分贝表示为N=10lgF=10XlgFmin噪声方面满足设计要求,即NF15dBo气0.04一0.02520=26.7测试实验7.1晶体管特性电参数的测量实验目的熟悉BJ4815型图示仪的面板装置及其操作方法；会测量二极管的正、反向特性，三极管的输入特性、输出特性及主要参数。实验原理晶体管特性图示仪主要由

30、阶梯波信号源、集电极扫描电压发生器、工作于X-Y方式的示波器、测试转换开关及一些附属电路组成。晶体管特性图示仪根据器件特性测量的工作原理，将上述单元组合，实现各种测试电路。阶梯波信号源产生阶梯电压或阶梯电流，为被测晶体管提供偏置；集电极扫描电压发生器用以供给所需的集电极扫描电压，可根据不同的测试要求，改变扫描电压的极性和大小；示波器工作在X-Y状态，用于显示晶体管特性曲线；测试开关可根据不同晶体管不同特性曲线的测试要求改变测试电路。实验内容开启电源测试NPN型、PNP型半导体管，并画出I-Vrp特性曲线，同时分别标出cCE放大区、截止区、饱和区和击穿区。实验结果及数据处理IC1=8mA、IB1

31、=8x.5=0-04mAI=0.4mA、I=5x0.005=0.025mAC2B2士=竺/0.04B0.8-0.4截止击穿饱和放大图7-1晶体管特性电参数的测量图示7.2晶体管开关参数的测量实验目的通过上升、延迟、存储、下降四个时间常数的测量，使同学加深对晶体管设计理论的认识，进一步理解开关参数物理意义，为数字电路和集成电路打下物理基础。通过较复杂测试原理、测试系统配置、调试，掌握最佳测试方法。增强电子系统的实际应用能力。实验原理晶体管是一个比较理想的开关元件。在开态时，集电极电流趋于饱和，此时les=沧,EC间电压降很小，相当于短路；在关态时，Ics=Ico,VCE=Vcc,ECRc间相当于

32、开路。所谓“比较理想”是指晶体管的输出脉冲对于输入脉冲在时间上还有一个延迟故此引出四个开关参数。下图是典型的NPN晶体管开关电路，图中心和Rb分别为负载电阻和基极偏置电阻、和+c分别为基极和集电极的偏置电压。现如果给晶体管基极输入一个脉冲信号Vb，则基极和集电极电流ib和的波形，如下图所示。当基极无信号输入时，由于负偏压的作用，使晶体管处于截止状态，集电极只有很小的反向漏电流即iCE0通过，输出电压接近于电源电压+vcc。此时晶体管相当于一个断开开关。当给晶体管输入正脉冲时，晶体管导通。若晶体管处于饱和状态，则输出电压为饱和电压，集电极电流为饱和电流匕。此时，晶体管相当一个接通的开关。由上图可

33、以看出：当输入脉冲Vb加入时，基极输入电流立刻增加到IB1、但集电极电流要经过一段延迟时间才增加到Ics，当输入脉冲去除时，基极电流立刻变到反向基极电流1氏，而集电极电流也经过一段延迟时间才逐渐下降。在实际测量中，如果使用双踪示波器，观察的是输入电压和输出电压的波形如下图所示。上图可以看出，采用脉冲信号发生器作信号源，在晶体管的输入端加一适当的方波脉冲信号，在晶体管的输出端就会得到一个延迟的脉冲信号。将这个延迟脉冲与脉冲信号发生器直接输入到示波器屏幕上的标准脉冲信号比较，利用前面所叙述的开关参数定义，就测出了各个开关参数。图7-5开关晶体管测量原理图稳压源稳压器孜踪示波器脉冲发生器图7-6开关

34、晶体管测量结果示意图其中+匕即开启时间ton、ts+tf即关闭时间%，本实验所要测量的开关时间就是根据这个定义的开关时间,按这种定义方法测量开关时间比较方便。实验内容及步骤1、根据实验原理图及装配图，用高频电缆线，T型连接器和导线将信号发生器，示波器，数字电压表，偏置电源和测试板连接好。面板示意图如下：图7-7开关晶体管测量面板示意图2、插上被测晶体管,选好某一测试频率及VBB和VCc，VBB=02V,VCC=10V,调节好信号源的幅度巴，然后再适当的调节示波器上的时基扫描和稳定度。就会在屏幕上看到如图5-6所示的两个方波脉冲。3、按照晶体管的开关参数定义及示波器的读数规则测出一组一九和%。4

35、、测量完毕，拆下连接线，关闭仪器，整理好实验经教师允许后可以回去完成实验报告。半导体器件设计与实验课程报告半导体器件设计与实验课程报告 图7-9关断时间 实验数据及处理VV+VV+VI=CC=I+I=bbbe丄ibeles斤，IB=I1+I2=RLib其中取10V，岭取0.9V。实验测得的数据如下：表7-1实验二测量数据RJQ）Ri（Q）Rl(Q)【cs(A)Ib(A)ICS/IB关断时间toff(ns)开通时间ton(ns)10001092000.050.0076.58704167.24701092000.050.00410.66624453.84704702000.050.00218.35

36、592856根据计算出的IcsIB和测得的ton、绘制出下图。图7-8开启时间ICS/IB思考题总结你认为如何提高开关参数？答：减小结面积，以减小结电容；适当选取开关基极电流IB1,IB2；减小基区宽度；增加基区少子寿命；掺金(复合中心)，快速释放非平衡载流子；提高基区浓度梯度；提高迁移率。7.3晶体管高频参数的测量实验目的1、通过实验进一步了解特征频率舟的物理意义，熟练使用参数仪测量特征频率舟。2、通过实验了解舟随偏流、偏压的变化情况。实验原理晶体管有高频管和低频管之分，一般来说低频管只能用在3MC以下的频率范围；而高频管则可以用到几十或者几百MC的高频范围，有时称超过75MC的管子为超高频

37、晶体管。如果使用频率超过了晶体管的频率范围，则晶体管的放大特性就显著地变坏，甚至无法使用。晶体管放大特性的变坏，是由于讯号频率超过某一值以后，晶体管的电流放大系数开始下降而造成的。晶体管的共射极电流放大系数B与信号频率f间的关系为：1+j丄%式中为低频是的电流放大系数，fp为共射极的截止频率(也就是共射极电流放大系数B下降到*仔或0.707仔的频率)。下图画出了晶体管发射极电流放大系数B随频率的变化曲线。由图可见，在频率比较低时，B基本不随频率变化，它的数值被定义为仔0。当频率比较高时，B值随频率f升高而下降。如果讯号频率超过发射极截止频率，晶体管的共射极电流放大系数B就比低频时的仔小的多。但

38、是，心并不是晶体管所能使用的最高频率，因为7的B值(即0.707仔)仍比1大的多，所以晶体管此时还是有电流放大作用的。晶体管的实际使用频率可以比心高。当频率远大于（比如2応就可以认为fAfp），此时有f-B=f仔0=常数f-B=fT上式比较确切地反映了晶体管的频率特性。当频率低于舟时，电流放大系数B1，晶体管有电流放大作用；当ffT，B1,没有电流放大作用，所以特征频率舟是晶体管可以起电流放大作用的最高频率的限度，是共射极电路设计的一个重要依据。fT作为晶特管的频率参数的另一个优点是测量比较方便。由公式可以看出，测量办的实质就是在满足鸟1时，测量其共发射极短路电流增益B。测量电路r%原理图为：

39、图7-11衍测量电路原理图实验内容及步骤1、准备将“极性转换”置“0”,“参数量程”置于“校准”。将“电流量程”置于所需档位。将电流的调节旋钮逆时针调到最小。2、校准接通本仪器的电源预热半小时。将校准用短路器插入B、C插孔，调节“校准”旋钮使参数表准确满度，拔下短路器。在温度发生很大变化和仪器长期未经使用需要调节检波负载，即校准右边暗电位器。3、测量依被测管舟大致范围将“参数量程”置2000MHz或600MHz(QG22)。按测试盒管脚标记插入被测管。(注意：一定要插到底！)按被测管的极性需要把“极性转换”置于“NPN”。首先控制乙=10V，顺时针缓缓转动调节旋钮调节电流。在参数表盘上直接读出

40、舟值。恢复到“准备”状态，以便下次测量。再控制打=10mA，顺时针缓缓转动调节旋钮调节电流。在参数表盘上直接读出舟值。恢复到“准备”状态，以便下次测量。同型号管连续测量时，在完成第3项的15条后，可连续插拔管读数，不必重调。连续测量大于1小时，应主动重新校准一次，在要求较高的测量中，应随时校准，以消除仪器本身漂移所造成的误差。实验结果及数据处理当=30V固定不变时，测得数据如下。从下面数据可以看出，随着反向电流增大，截止频率先增大后减小。截止频率峰值大约在4=-10尬4时出现。表7-2实验三数据一(V=30V)IE(mA)fT(MHz)-1145-2184-5226-10246-15246-2

41、5230-30218-35202-40184-45164-47.5145当/=10mA固定不变时，测得数据如下。从下面数据可以看出，随着反向电E流增大，截止频率先增大后减小。截止频率峰值大约在=-13V时出现。表7-3实验三数据二（IlOmA）Vce(V)fT(MHz)-O.258-O.51OO-1138-1.215O-2.2182-3.32OO-4.221O-5.822O-1O.223O-13232-18.223O-22226-26.822O-32.421O-37.42OO-45.218O-51.116O-57.813O-63.61OO-68.28O-71.17O-76.258图7-13lE

42、=10mA不变时心测量结果（5）思考题总结你认为如何提高舟参数？减薄基区宽度；提高基区杂质浓度梯度；减小结面积；减小集电区电阻及厚度；做好Al电极欧姆接触；注意管壳的设计及选择，以减小杂散电容；在结构参数相同均相同时，npn管较pnp管有较高的fT；采用高迁移率材料（GaAs，InP）；新结构（HBT）考试内容8.1横向参数最小光刻距离为3m；单元发射极条宽度Se=10m,长度le=60m,数目n=6x5=30个；单元发射极引线孔宽度为6m,长度为50m；单元淡基区宽度为20m,长度为80m；浓基区网格作为内引线部分宽度Sb=6“m，刻基区引线孔部分的宽度为12m；考虑对准的偏差和加强四周电流

43、的流通，在边缘的浓基区宽度由6m增加至8m,边缘的基极引线孔引线部分宽度由12m增加至14m；计算数值替换如下：基极引线孔宽度为8m,长度为124m；淡基区外轮廓为566mx138m；浓基区外轮廓为568mx140m；8.2绘制覆盖式晶体管光刻版图打开L-Edit软件，设置工艺名称为1微米工艺，选择定位单位及鼠标在图区域的捕捉单位为1微米,选择标尺,横轴标尺参数：坐标为（0,-5）,（568,-5）；纵轴标尺参数：坐标为（-5,0）,（-5,140）。图8-1考试绘制光刻版图书中错误粮掘註入蛊底集电极第涿百=0.514叭选瞰神护蝕蟄射区菇廉珈=酣叭则世Jt聊严0.21以叫图9-1书中P325页

44、印刷错误书中P325页在此处写到发射区结深兀=3“m,实际上发射区结深应为0.3“m。丿幺总结本文根据设计指标，进行了微波低噪声晶体管的纵向结构参数、横向结构参数等的计算和选取，并对特征频率、噪声系数、功率增益等主要参数进行了核算，结果舟=5.33GHz、Np=2.46dB、Kp=15.3dB，验证了该设计基本达到设计要求；结构方面，采用了具有缓冲基区的结构；在图形结构方面，采用梳状结构，并画出了所设计的微波低噪声晶体管的图形。横、纵向设计参数如下：外延层杂质浓度NC=8X1015cm-3外延层电阻率pC=0.65Qcm集电区宽度WC=1.4X10-4cm基区宽度W=2X10-5cmB硼离子注

45、入淡基区结深xjc=5.97X10-5cm硼扩散浓基区结深x.=6.15X10-5cmjc砷扩散发射区结深x.e=3.97X10-5cm.e硼离子注入能量80keV硼离子注入剂量Nwb=3.5X1013cm-2外延层厚度W=5X10-4cmepi基区薄层电阻RWB1=9.41X103Q/W注入基区薄层电阻RWB2=4.69X103Q/W砷离子注入表面浓度N=2X1020cm-3ES发射集条宽Se=2X10-4cme发射集条长le=3.5X10-3cme发射区到浓基区距离Seb=1.5X10-4cm浓基区宽度S=5X10-4cmb发射集条数n=3基区面积A=2.1X10-6cm2b发射区面积A=

46、8.7X10-6cm2e本次实验我们组遇到的最大的问题就是时间。由于这是一个全新的东西，虽然说上课都有涉及，但是仅限于理论层面。真正动手实践，又是新的一件事情。在计算设计参数时，我们组一开始并不是很了解各个参数之间的计算关系，一点一点去找公式，一点一点去摸索。尤其是，书上有些公式写的较为模糊，不同的书籍和文章之间定义公式的字母也不同，很难形成对应。不过这一切，都被我们组很好的克服了。还有一大难点就是L-Edit软件的熟练使用。L-Edit软件是一款全英文的软件，首先在理解上就会有一定的困难。好在有老师在第一堂课给大家的例子，我们组三人在一步步的实践中，最终全部熟练掌握软件的使用。本次实验我们大

47、致按照以下步骤进行。首先，我们在讨论过程中先确立了题目，微波低噪声晶体管设计。第二步，我们开始到网站上收集资料，查阅了大量的文献以方便我们理解。于此同时，我们还仔细研读老师给的晶体管原理这本书，并且在读书的过程中将书中全部公式敲入电脑中。第三步，在结合大量的文献以及书目之后，对微波低噪声晶体管的设计已有了初步的了解，在此基础之上我们完成了第一节课的参数计算与设计。版图部分，由于有了老师的例子作为参考，版图部分的进展还算顺利，我们在很短的时间内就确立了版图的参数以及完成了版图的设计。最后，在验证计算方面，由于已经有了之前的基础，验证计算这部分完成的也还算轻松。在我们三名同学精诚合作之下，出色的完成了此次试验以及最后实验报告的撰写。本次实验，组长谭祖雄同学主要负责参数计算，版图设计以及最后验算的过程，并且撰写了实验报告的大部分内容。组员张亮同学