NPN型硅高频低噪声双极型晶体管

PAGEIIPAGE摘要NPN型硅高频低噪声双极型晶体管设计是根植于电子技术的持续进步和对更高性能电子器件的不断追求。分立器件作为半导体产业的关键分支之一，双极型晶体管具有广泛的应用领域和独特的技术特性。随着科技的不断进步和市场需求的变化，分立器件的高频特性在实际器件使用中愈发凸显。NPN型双极型晶体管以其卓越的技术特性，如高功率、大电流处理能力、高反压、高频响应、高速度、高灵敏度以及低噪声等，广泛应用于各个电子系统和设备中。为提高双极型晶体管的高频特性，在结构上运用了梳状结构，为满足低噪声特性，采用缓变基区的设计理念，在一系列参数调整后，大大提高了NPN型硅双级型晶体管的频率特性，保证了在实际应用中极低噪声系数，使得双极型晶体管可以在实际中可以大规模应用于高频、超高频以及直流信号的放大电路、非饱和开关电路、混频、变频及低噪声的放大电路中。关键词双极型晶体管；低噪声；高频；缓变基区；梳状结构AbstractThedesignofNPNtypesiliconhigh-frequencylow-noisebipolartransistorsisrootedinthecontinuousadvancementofelectronictechnologyandtheconstantpursuitofhigherperformanceelectronicdevices.Discretedevices,asoneofthekeybranchesofthesemiconductorindustry,bipolartransistorshaveawiderangeofapplicationfieldsanduniquetechnicalcharacteristics.Withthecontinuousadvancementoftechnologyandchangesinmarketdemand,thehigh-frequencycharacteristicsofdiscretedevicesarebecomingincreasinglyprominentinpracticaldeviceuse.NPNbipolartransistorsarewidelyusedinvariouselectronicsystemsanddevicesduetotheirexcellenttechnicalcharacteristics,suchashighpower,highcurrentprocessingcapability,highbackvoltage,highfrequencyresponse,highspeed,highsensitivity,andlownoise.Inordertoimprovethehigh-frequencycharacteristicsofbipolartransistors,acombstructureisusedinthestructure.Tomeetthelownoisecharacteristics,thedesignconceptofagradualbaseregionisadopted.Afteraseriesofparameteradjustments,thefrequencycharacteristicsofNPNsiliconbipolartransistorsaregreatlyimproved,ensuringextremelylownoisecoefficientinpracticalapplications.Thismakesbipolartransistorswidelyusedinhigh-frequency,ultra-highfrequency,andDCsignalamplification,unsaturatedswitchingcircuits,frequencyconversion,mixing,andlow-noiseamplificationcircuitsinpractice.KeywordsBipolartransistor;lownoise;highfrequency；Slowlychangingbasearea；combstructure目录21782摘要 I28953Abstract i7132第一章绪论 2175711.1研究背景 278841.2研究意义 2255401.3主要内容 326549第二章NPN型硅双极型晶体管工作原理 4152972.1器件的工作原理 4221952.2器件结构 5236902.3器件参数 5131032.3.1晶体管的特征频率 5292392.3.2晶体管的高频优值及其影响因素 6148232.3.3晶体管的噪声特性 7111162.4本章小结 914415第三章双极性晶体管特性仿真 10316833.1实验仿真 1019833.2实验数据 15252673.3本章小结 183916第四章双极性晶体管特性优化 19252334.1参数优化 19269494.2高频低噪声系数双极型晶体管 2028818结论 2329089参考文献 24PAGE9第一章绪论1.1研究背景双极型晶体管的研究背景根植于电子技术的持续进步和对更高性能电子器件的不断追求。自20世纪初，科学家们就开始对半导体材料进行研究，探索其在电子器件领域的潜在应用。1947年，贝尔实验室的研究小组发明了双极型晶体管，这一发明标志着现代半导体产业的诞生和信息时代的开启。双极型晶体管以其卓越的性能和广泛的适应性，在信号放大、开关控制等键领域展现出非凡的潜力和价值。随着信息科技的飞速发展，半导体行业也在不断进步，人类生活越来越依赖于高性能手机、高级手表以及手环等用于便携式穿戴的设备，而这些设备的核心芯片中都包含了高频双极型晶体管。高频双极型晶体管也同样因其在高频、电流放大等特性的绝对优势，广泛应用于放大器电路、电动机、超高频雷达探测、航空航天工程制造等领域。这些应用领域对器件的高频性能和功率控制能力提出了更高的要求，推动了高频双极型晶体管技术的不断进步和创新。由于新材料、新工艺的不断涌现，双极型晶体管的性能得到了进一步提升，双极晶体管的建模技术也变得更加成熟，应用领域也更加广泛。特别是在车载物联网、人工智能交互等新兴技术的快速发展的背景下，双极型晶体管在智能家居、智能穿戴、自动驾驶等领域展现出新的应用前景。因此，双极型晶体管的研究不仅是对现有技术的优化和改进，也是对未来电子技术发展的重要探索。分立器件作为半导体产业的关键分支之一，具有广泛的应用领域和独特的技术特性。随着科技的不断进步和市场需求的变化，分立器件的地位愈发凸显。分立器件以其卓越的技术特性，如高功率、大电流处理能力、高反压、高频响应、高速度、高灵敏度以及低噪声等，广泛应用于各个电子系统和设备中[1]。在某些集成难度较高或集成成本较高的领域，分立器件发挥着不可替代的作用。做为分立器件之一的双极型晶体管，在当前时代广泛用于高频、超高频电路中以及在直流信号的放大、非饱和开关电路、变频、混频以及低噪声放大等电路中[2]f有着举足轻重的地位。1.2研究意义随着科技的不断发展，双极型晶体管的应用领域不断扩展，特别是在通信系统、汽车电子、家用电器、医疗器械和航空航天等领域。这些应用对器件的功率控制能力、工作效率和灵敏度提出了更高的要求。此外，由于新材料、新工艺的不断涌现，双极型晶体管的性能得到了进一步提升，双极晶体管的建模技术[3]也变得更加成熟，应用领域也更加广泛。特别是在车载物联网、人工智能交互等新兴技术快速发展的背景下，双极型晶体管在智能家居、智能穿戴、自动驾驶等领域展现出新的应用前景。因此，双极型晶体管的研究不仅是对现有技术的优化和改进，也是对未来电子技术发展的重要探索。由于分立器件如NPN型硅双极型晶体管的高频特性，低噪声特性的研究与突破，大大引领了中国的半导体市场的革新，提高了中国半导体产品的竞争力。尽管面临产业利润远不及集成电路的生产应用压力，但随着科技的不断进步和市场需求的变化，高频双极性晶体管的前景依然光明。分立器件后续的研究方向也应更加向着高频双极型晶体管方向大步迈进，通过建立模型,数据估计[4],优化双极型晶体管的参数结构,为模型中的某些参数赋值，并对某些重要参数进行提取[5],升产品性能和技术水平，以适应市场需求并争取更大的市场份额，并寻求更高突破。因此研究高功率双极型晶体管在分立器件的研究开发中有着极大意义。然而，在市场竞争中，国外厂商在中国分立器件市场上占据主导地位，国内生产厂商面临着极大的竞争压力且国内生产厂商仅占有不到20%的国内市场[6]。因此研究高功率双极型晶体管在分立器件市场中有着极大意义。1.3主要内容本章节主要对高频低噪声双极型晶体管做简单的概括，大体上介绍了国内外研究动态以及研究现状以及论文的研究意义及背景，综述了论文研究的主要内容、器件结构安排和研究方向。NPN型硅双极型晶体管工作原理2.1器件的工作原理在NPN晶体管的共发射极电路中，若在晶体管发射结上施加正偏压，在集电结上施加负偏压，则晶体管此时处于放大状态。在基极注入一毫安的电流IB,在晶体管的集电极就可获得几百毫安的输出电流IC。IC/IB称之为共发射极电流放大系数β，一般共发射极放大系数在10～300之间。同样由于晶体管的输出阻抗远远大于输入阻抗同时输出电流又远远大于输入电流，因此对于共发射极晶体管具备很强的电压放大和功率放大能力。在高频的工作环境时，如果使晶体管的外接负载阻抗分别与晶体管的输入、输出阻抗相匹配，则可获得最佳的功率增益。同时依据电路的工作需要，晶体管还可接成共基极或共集电极的形式。图2-1展示了两种双极型晶体管的结构图。每个晶体管具有3个半导体掺杂区，他们分别是发射极，基极和集电极。基极位于发射极和集电极之间。在NPN晶体管中由N型的发射极，P型的基极和N型的集电极三个部分组成。同样的，PNP管由P型的发射极，N型的基极和P型的集电极三部分组成。图2-1中画出两种晶体管的电路符号，发射极上的箭头明确表明了发射极－基极在正向偏置状态下的电流的流向。图2-1晶体管结构2.2器件结构高频低噪声双极型晶体管为满足高频特性，除在参数设计方面改良各区的长度款度外，还需在设计中采取梳状结构如图2-2所示，在掺杂浓度方面设计缓变基区，使得双极型晶体管的特征频率大大提高，减弱了噪声干扰。图2-2器件结构2.3器件参数2.3.1晶体管的特征频率晶体管特征频率（）是指晶体管的电流放大系数（）下降到1时的工作频率[7]，也就是晶体管共发射极放大倍数等于1时的频率,在这个频率下，晶体管的电流放大功能会显著下降，甚至完全失去放大作用。特征频率是表征双极型晶体管在高频工作环境时放大能力的一个重要参数[8]。（1）特征频率[9]公式（1）表征，通过减小基区宽度，采用浅结工艺来制备薄基区，以减小电子渡越晶体管中性基区的时间（）；通过减小发射结面积,来降低集电结势垒宽度,减少载流子通过发射结所需时间(）；同时减小晶体管的结面积：减小晶体管的发射结和集电结的面积，来达到降低结电容，减少信号传输过程中的延迟时间（）的目的，使得双极性晶体管频率特性大大提高，使得晶体管能更好满足双极型晶体管日益增长的高频低噪声使用需要。考虑电流大小与特征频率的相关性时，小电流时，随着Ib或Ic的增大，τeb减小，使特征频率提高，所以fT在小电流时随电流的增大而提高。但是当电流很大时，τeb的影响变小甚至可以略去。大电流时，当基区发生纵向扩展△Wb时，使基区渡越时间τb。增加，同时集电结势垒区厚度将减小△Wb使集电结势垒区延迟时间τd变小。但是τ图2-3双极型晶体管fT随I2.3.2晶体管的高频优值及其影响因素晶体管的功率增益是指晶体管放大器对射频信号的功率放大倍数，晶体管最大功率增益为Kpmax=PomaxP由双极型晶体管特征频率的公式可见，当信号频率每增加一倍，双极型晶体管的最大功率增益Kpmax就降到原值的1/4或下降6分贝。其中功率增益与频率平方的乘积称为晶体管的高频优值，记为MM=K晶体管的高频优值也称功率增益-带宽乘积，是衡量双极型晶体管的功率放大能力和频率特性的重要参数。当Kpmax下降到1时的频率值称之为最高振荡频率[10],记为fM。令fM=fT8πrbb为提高晶体管的功率增益：减弱发射结的动态电阻、势垒电容、集电结的势垒厚度、集电极的串联电阻和势垒电容，为了降低寄生电容和电阻以达到提高功率增益的目的。同时在设计上优化晶体管结构：对于场效应管（如JFET、MOSFET、HEMT），增大跨导gm、减小栅电容Cg、减短沟长L、增大迁移率μ或饱和漂移速度vs。从而大大增大了晶体管的功率增益，使得器件更加满足实际高频工作需要。2.3.3晶体管的噪声特性（1）晶体管噪声与噪声系数晶体管的噪声是一种杂乱无章的无规则电压或电流的涨落或起伏活动，它叠加在不同的信号上将产生不同的电流影响。当信号的幅度很大时，噪声的影响可以忽略，但当同样大小的噪声叠加在小信号时，小信号可能被完全淹没，噪声限制了晶体管放大微弱信号的能力，所以晶体管能否抵抗噪声的干扰程度将显得极为重要。从本质上来说，双极型晶体管的噪声是由晶体管内大量的带电微粒(载流子)的无规则运动所引发的，同时噪声的大小总是相对于晶体管信号的大小而言的，为了制造低噪声的双极型晶体管，引入信噪比来描述实际晶体管受噪声的干扰程度。用晶体管的输入信噪比与输出信噪比的比值来表征晶体管噪声特性，该比值即为晶体管的噪声系数F，即（5）式中PSi为输入信号功率，PNi为输入噪声功率，PSo（2）双极型晶体管噪声特点双极型晶体管本身活动所产生的噪声为三种：热噪声、散粒噪声和闪烁噪声[11]。为了制造低噪声的双极型晶体管，晶体管的结构和参数应着重对这三种噪声来进行优化。热噪声：热噪声也称白噪声，主要是由于导体内载流子的无规则随机热运动而产生，其特点是噪声功率谱在所有频率范围内都存在，且不受两端外加电压的影响[12]。热噪声既与温度T有关，也与电阻R有关，同时受到沟道长度调制效应的干扰[13]。对于双极型晶体管，在各个区域材料的体电阻内以及各电极的接触电阻间都将产生热噪声。由于双极型晶体管的热噪声主要源于数值较大，处于输入回路中的基极电阻rb，因此降低双极型晶体管的散粒噪声：散粒噪声是流经pn结的少数载流子因不断遭受散射而改变方向的载流子，同时又不断因载流子复合产生而产生的一种电流电压的起伏。散粒噪声可以看作为沟道热噪声,因此pn结的注入电流越大，载流子的飘移速度和数量的涨落也就越大，则散粒噪声也就越大。散粒噪声与热噪声具有相同形式的表示式，它是一种与频率无关的白噪声，对于晶体管的发射结和集电结都存在着散粒噪声，在共基极组态中输入端的散粒噪声与发射极的电流Ie成正比；在共发射极组态中，输入端的散粒噪声与基极电流Ib成正比，而输出端的散粒噪声又与集电极电流闪烁噪声：主要来自于晶体缺陷，表面态或表面不稳定性所引起的复合电流涨落，且仅在低频时起重要作用。闪烁噪声的研究已经有超过50年的历史，但它的物理机制仍然是讨论的话题。为降低闪烁噪声，实际晶体管的制备时将围绕提高晶体材料的质量和改善工艺的过程为主，为降低闪烁噪声材料优先选择硅<101>晶面,晶体管为pnp型，通过此类方法制备的晶体管的闪烁噪声比将大大降低，极大程度优化了双极型晶体管的噪声干扰。（3）双极型晶体管噪声随频率变化特点双极型晶体管的噪声特点是没有一定的幅度形状，也没有一定的周期。对双极型晶体管的噪声的波形进行理论分析可知，它实际上包含了从低频到高频的各种频率成分。在不同的频率下测量晶体管的噪声系数可以得到晶体管的噪声频谱曲线，双极型晶体管的噪声的典型频谱曲线如图2-4所示。图2-4双极型晶体管fT随I在双极型晶体管噪声典型频谱曲线中表明，在不同频率下，晶体管的噪声系数的变化是不同的，在低频区和高频区噪声系数都随频率变化而有着明显的变化，而中间一段频率噪声系数最小，且不随频率而变化。当f<fCL此时器件处于低频区，晶体管的噪声主要为闪烁噪声，其特点是在每单位频率下，噪声系数与频率几乎成反比，f每增加一倍，NF降低3dB，当频率大于1000HZ时，闪烁噪声就在fCL<f<fCH范围内，晶体管处于中频区，此时晶体管的噪声主要是热噪声和散粒噪声，在该段频率范围内，噪声系数不当f>fCH时，随着频率的增高，噪声系数以每倍频程6dB的速率迅速上升，即频率每增加一倍频程，NF增加6dB[14]。频率急剧增大的主要原因是晶体管的功率增益Kp随频率的增加而下降，在使用晶体管时，工作频率不得大于在制备高频低噪声系数的晶体管时，在高频段应着重考虑热噪声参数，低频段应着重考虑闪烁噪声[15]。为了改善晶体管的噪声特性，一方面要尽量减小白噪声的噪声系数[16]，另一方面要尽可能提高fCH，也就是使晶体管在更高的频率下具有较小的噪声系数[17]2.4本章小结针对NPN型硅双极型晶体管日益增长的高频特性需要及低噪声的实际应用等问题，在SilvacoTCAD环境建立设计平台，通过理论计算和计算机仿真的手段，设计NPN型硅高频低噪声双极型晶体管。对NPN型硅高频低噪声三极管的频率和噪声等方面的特性进行理论分析，对特征频率、噪声系数、功率增益等主要参数进行核算；目的在于提高了双极型晶体管特征频率、功率增益，优化噪声干扰，以最优化满足高频低噪声双极型晶体管的设计需要。采用缓变基区设计，优化高频特性，利用梳状结构，提高集成度及电流处理能力。整个研究通过结构优化和参数控制，实现高频低噪声双极型晶体管的构建，大大提高晶体管应用性能。双极性晶体管特性仿真3.1高频低噪声晶体管设计方法3.2实验仿真（1）米，目标用于掺杂保护。其中蓝色区域为二氧化硅，橙色为硅衬底下文同。图3-1氧化仿真结果（2）在11.25微米至46.25微米处刻蚀出掺杂孔，其中双极型晶体管P+光刻及第一次浓硼扩散掺杂仿真如图3-2和3-3所示。其中用于浓硼扩散的硼掺杂浓度为5×图3-2P+光刻仿真结果图3-3浓硼扩散仿真结果（3）为减少浓硼扩散后杂质分布不均的问题，降低杂质补偿所带来的负面影响，形成练好的PN结构以提高击穿电压优化双极型晶体管的器件性能，进行二次淡硼扩散，图3-4和图3-5分别表征了刻除氧化阻挡层和淡硼预垫积仿真，其中预垫积的淡硼浓度为1×1020，图3-5表征了掺杂完成后浓度的分布情况，其中用于基极的表面掺杂浓度为掺杂浓度为2.9图3-4二次淡硼扩散预备刻除所有氧化层仿真结果图3-5二次淡硼预垫积仿真结果图3-6淡硼主扩散仿真结果（4）在53.25微米至57.25微米处刻蚀二氧化硅形成集电极掺杂孔，并用磷杂质进行扩散，图3-7表征了集电极掺杂孔刻蚀位置，图3-8表征了磷扩散完成后的浓度分布情况，其中用于扩散的磷浓度为8×1020，扩散完成后图3-7集电极掺杂区刻蚀仿真结果图3-8集电极P+扩散仿真结果（5）在12.25微米至16.25微米处和30.25微米至34.25微米处刻蚀二氧化硅形成发射极掺杂孔，并用磷杂质进行扩散，图3-9表征了发射极掺杂孔的刻蚀位置，图3-10表征了磷扩散完成后的浓度分布情况，其中用于扩散的磷浓度为8×1021，扩散完成后图3-9发射极光刻仿真结果图3-10发射极掺杂仿真结果（6）在12.25微米至16.25微米处，在21.25微米至25.25微米处，在30.25微米至34.25微米处在39.25微米至43.25微米处处刻蚀二氧化硅用于铝电极接触，图3-11展示了二氧化硅刻蚀后双极型晶体管情况。完成刻蚀后进行铝淀积，图3-12表明了双极型晶体管的金属化情况。图3-11接触孔刻蚀仿真结果图3-12铝淀积仿真结果（7）按特征频率和放大系数要求对双极型晶体管的金属面积进行调控，刻蚀掉多余的铝后完成双极型晶体管的结构制备，其中图3-13表征了双极型晶体管的结构情况。图3-13刻蚀多余铝仿真结果（8）为便于后续的双极型晶体管参数仿真测试，在x=14.25微米和x=32.25微米处设定为双极型晶体管发射极，在x=32.25微米和x=43.25微米处设定为双极型晶体管基极，在x=55.25微米处设定为双极型晶体管的集电极，其中电极分布如图3-14所示，电极下双极型晶体管的掺杂情况如图3-15所示。图3-14高频低噪声系数双极型晶体管图3-15高频低噪声系数双极型晶体管3.2实验数据（1）双极性晶体管放大特性曲线图3-16双极性晶体管放大特性曲线仿真结果从图3-16可知，双极型晶体管开启电压约为0.7V。（2）放大系数、特征频率仿真结果对双极型晶体管进行初步仿真后得知，高频低噪声系数双极型晶体管的放大系数约为51.82,特征频率约为369MHz,对于现今时代，该数据已可满足一般高频指标要求。再对双极型晶体管的发射极，基极，集电极的表面掺杂浓度和结深进行仿真测算，得出双极型晶体管发射极掺杂浓度为4.27×1020，基极掺杂浓度为（3）由提取参数进行噪声系数及功率增益计算A.噪声系数计算噪声系数的计算公式为（6）（7）其中=51.8,f=200MHz,Rg=100Ω，=26Ω，=481MHz。为保证低噪声系数的需要，需尽可能小于7Ω，基极电阻的计算公式为（8）其中，，，，通常rb3和Rc很小，在rb1+rb2B.双极型晶体管结构及参数的选择其中淡硼扩散层的方块电阻计算公式为：（9）有源基区的方块电阻计算公式为：（10）由实验数据可得于淡硼扩散层表面掺杂浓度为cm-³，由图3-20中的曲图可以明确查到，此时平均电导率约为60，硼扩散总深度为1.958μm，经带入计算求得约为83Ω，由实验数据测得磷扩散表面的掺杂浓度为cm-³，磷扩散总深度为1.16μm，查阅图中的x/xj==0.6曲线可知平均电导率约为9，则约为1406Ω，由器件的结构可知发射极条长为4μm，发射极基极间距为5μm，则为保证rb1+rb2小于5Ω，求得le应为102μm，则可将发射极分为3段，以梳齿状与基极排列，每根发射极条的长度为34μm，则此时噪声系数F等于2.264，等于3.548dB，通过计算可知，在梳状结构双极型晶体管的设计帮助下，在高频工作环境中双极型晶体管仍有较低的噪声系数。其中图3-21展示出设计高频低噪声梳状结构双极型晶体管视图，表1展示出高频低噪声系数双极型晶体管特性数据。图3-21高频低噪声梳状结构双极型晶体管视图双极型晶体管功率增益计算功率增益的计算公式为Kpmax=fTCTC=Wd=2εε0Vbi=kTq其中A是集电结面积，Wd是集电结势垒宽度，ε为半导体材料的相对介电常数（对于硅材料ε=11.9），ε0是真空介电常数，由双极型晶体管条长参数已知，集电极结长l=24μm，宽w=4μm，则A=24×10−6m×3.5×10−6m=96×10−12m2，由VR=Vcb=5.3V，对于W由此求得所有双极性晶体管参数，数据如表一所示，测试环境为f=200MHz，Vce表1仿真结果项目仿真结果氧化层厚度8600Ai基极结深1.958μm发射极结深1.16μm基极表面掺杂浓度2.9×发射极表面掺杂浓度4集电极表面掺杂浓度2.34特征频率369MHz噪声系数3.548dB功率增益17.25dB放大系数51.83.3本章小结本章使用SilvacoTCAD的Athena工艺仿真和Atlas器件仿真，对设计的双极性晶体管严格按照高频低噪声系数目标进行计算并对目标进行Silvaco仿真，得出了初步的双极型晶体管结构参数和特性参数。双极性晶体管特性优化4.1参数优化提高集电极宽度对于双极型晶体管的集电极宽度来讲，集电极宽度较小时集电区的载流子渡跃时间缩短，有利于提高双极型晶体管的高频特性，使得载流子能够更快从基极到达集电极，减少传输延迟，进而提高了双极型晶体管的特征频率。但同样当集电极宽度过小时，也会导致集电区电阻增大，引起集电极电流密度过大，产生自热效应，使得特征频率降低。显然双极型晶体管中集电极宽度对双极型晶体管的放大系数和特征频率影响不是呈线性的，为探究在已有结构下双极型晶体管的集电极宽度应如何优化，以控制变量形式现将双极型晶体管集电极宽度由4微米提升至4.5微米，由仿真实验中特性提取得出，增大集电极宽度使得双极型晶体管放大系数得以升高，特征频率得以改善。图4-1展示了改良后双极型晶体管仿真结构示意图，此时双极型晶体管的放大系数由51.8提升至104.359，将原有特征频率由369MHz提升至522MHz，表明提升集电极宽度显著优化了双极型晶体管的特征频率和放大系数，表明集电极宽度设置为4微米限制了双极型晶体管的放大系数和特征频率,集电极寄生电容严重干扰了双极型晶体管的高频特性。图4-1高频低噪声梳状结构双极型晶体管视图为了寻求双极型晶体管更高的特征频率和放大系数，将双极型晶体管的集电极放在背面，此时双极型晶体管结构如图4-3所示。此时对双极型晶体管的放大系数和特征频率进行提取，得双极型晶体管的放大系数由51.8提升至259，将原有特征频率由369MHz提升至3082MHz，表明将双极型晶体管集电极放在器件背部显著优化了双极型晶体管的特征频率和放大系数，同时使得双极型晶体管的长度由70微米下降至45微米，对于噪声系数，依据第三章噪声系数的计算方法，此时rb等于7Ω，fT等于3332MHz，ℎFE等于242.584，算得F等于1.79，等于2.52dB，相较于原结构噪声系数的3.548dB，下降近三分之一，对于功率增益，由式12，13，14，集电极结长l=24μm，宽w=45μm，则A=24×10−6m×45×10−6m=1080×10−12m2，由VR=Vcb=5.3V，对于Wd图4-3集电极背面双极型晶体管视图表2仿真结果项目仿真结果晶体管长度34μm发射极宽度4μm集电极宽度45μm基极宽度4μm发射极表面掺杂浓度4特征频率3082MHz噪声系数2.52dB功率增益29.97dB放大系数259dB增大发射极掺杂浓度发射极掺杂浓度显著极大影响了双极型晶体管的放大系数和特征频率，增大发射极掺杂浓度，发射极注入效率得以提高，载流子能够更多的从发射极注入到基极，同时增大了集电极电流，使得双极型晶体管的发射极注入效率得以提高，双极型晶体管的特征频率和噪声系数得以优化。为保证高频低噪声系数双极型晶体管的设计需求，将原有的双极型晶体管发射极掺杂浓度由5×1021提升至8×1021，此时表面掺杂浓度由4.27×1020提升至4.45×1020。此时对双极型晶体管进行参数提取，特征频率相较于原有特征频率的3082MHz提升至3443MHz，但放大系数由259下降至242，本次设计以适应高频环境为准，忽略放大系数的负面变化。对于噪声系数，同样依据第三章噪声系数的计算方法，此时rb等于7Ω，fT等于3443MHz，ℎFE等于242，算得F等于1.76，等于2.51dB，相较于原结构噪声系数的3.52dB，下降不大，对于功率增益，由式12，13，14，集电极结长l=24μm，宽w=45μm，则A=1080×10−12m2，表3仿真结果项目仿真结果晶体管长度34μm发射极宽度4μm集电极宽度45μm基极宽度4μm发射极表面掺杂浓度4特征频率3443MHz噪声系数2.51dB功率增益30.38dB放大系数242dB降低发射极宽度发射极宽度极大影响了双极型晶体管的放大系数和特征频率，降低发射极宽度，使得发射极与基极之间的电容降低，在高频环境时，电容的充放电时间缩短，有利于提高晶体管的开关速度，同时较小的发射极宽度也使得载流子注入基区路径更短，渡跃时间降低使得双极型晶体管的特征频率得以提高。将原有的双极型晶体管基极宽度由4μm下降至3μm，图4-5展示了改良发射极宽度后双极型晶体管的仿真结构，此时对双极型晶体管进行参数提取，特征频率相较于原有特征频率的3443MHz提升至3994MHz，但放大系数由242下降至204，本次设计以适应高频环境为准，忽略放大系数因发射极注入基区的载流子数量减少而引发的负面变化。对于噪声系数，同样依据第三章噪声系数的计算方法，此时rb等于7Ω，fT等于3994MHz，ℎFE等于204，算得F等于1.785，等于2.52dB，相较于原结构噪声系数的2.51dB，因放大系数的降低而略有升高，但升高水平不大，对于功率增益，由式12，13，14，集电极结长l=24μm，宽w=45μm，则A=1080×10−12m2，由VR=Vcb=5.3V，W表4仿真结果项目仿真结果晶体管长度34μm发射极宽度3μm集电极宽度45μm基极宽度4μm发射极表面掺杂浓度4特征频率3994MHz噪声系数2.52dB功率增益31.22dB放大系数204dB图4-5发射极3微米晶体管结构图降低发射极与基极间距发射极与基极间距同样影响了双极型晶体管的放大系数和特征频率，降低双极型晶体管发射极与基级间距可以缩短载流子在基区的渡越时