毕业设计144湖南大学中功率开关晶体管设计Word格式文档下载.docx
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100M
=45V（集电极维持电压）
>
20（
=1V,
=500mA）
2、设计思想总述
1.根据使用要求选定主要电学参数，确定主要电学参数的设计指标。
2根据设计指标的要求，了解同类产品的现有水平和工艺条件，结合设计指标和生产经验进行初步设计。
3.根据初步设计方案，对晶体管的电学参数进行验算，在此基础上，对设计方案进行综合调整和修改。
4根据初步设计方案进行小批童试制。
通过边设计，边试制，暴露问题解决矛盾，修改和完善设计方案。
二、器件主要参数决定因素的分析
当晶体管工作于饱和与截止状态时，在共射甲类运用条件下，较小的基极电流可以控制很大的集电极电流，从而可作为电子开关使用。
如图一所示为典型的开关电路，在放大状态时，
增加使
增加，当
上升到使
=
时，集电结从反偏上升到零偏，进入临界饱和态。
，此时
，此时晶体管的C、E间近似短路，相当于C、E间的开关闭合；
当输入脉冲为负或零，发射结反偏，晶体管进入截止状态时，晶体管相当于开关断开。
图一、晶体管开关电路
开关晶体管在电路中要起开关作用，故衡量其性能的参数指标主要有特征频率，反向击穿电压，饱和压降，响应延迟时间及放大倍数等。
对于特征频率用ft表示，反向击穿电压可用BVcbo与BVceo表示，饱和电压用Vces表示，放大倍数为
，反映响应延迟特征参数主要有延迟时间
、上升时间
、贮存时间
、下降时间
，其中
。
各种器件必须在一定频率范围内才可正常工作，而对于中功率开关晶体管，也有其特有的工作特征频率。
而特征频率和结电容是影响延迟时间的主要原因。
影响延迟特征参数的主要有延迟时间
，
、
四个时间参数是描写开关管状态转换的速度的，
和
都要求有足够高的特征频率
和尽可能小的集电结电容
也要求足够小的结电容
，而
时间最长，对开关速度影响最大，它的长短主要决定于集电区少数载流子贮存量的多少。
因此，要缩短延迟时间，就要求我们提高特征频率、降低结电容。
其中又以缩短
为首要。
要减少集电区贮存、降低
可以采用的主要措施有：
通过掺金增加复合中心，降低集电区少子寿命，加快贮存电荷的消失，便可以降低延迟时间
在满足击穿电压要求的条件下，尽量减少集电区厚度，降低集电区电阻率。
饱和压降
是描写晶体管处于开态时的特性的参数，一般要求其值小于一定数值，且越小越好，以保证开态时晶体管的功率不致过大。
它的数值主要取决于集电区串联电阻的大小，因此开关晶体管通常选取较低的外延层电阻率，并制作良好的欧姆接触电极，而低电阻率的外延层对降低少子寿命又是有利的。
另外，对于开关管，一般要求有较低的饱和压降和很小的反向漏电流，以保证开时功耗低、关时能够有效截止。
根据以上分析，开关管的设计特点主要有：
⑴在图形设计方面，开关管一般需要较长的发射极周长和较大的发射结面积，以适应开关管的大电流容量；
⑵在工艺制作方面，一般采用金扩散，以降低少子贮存；
⑶在外延片材料方面，开关管在保证击穿电压的前提下，应选择低电阻率的材料，以适应饱和压降的要求，同时也有利于大电流容量极降低延迟时间。
采用薄外延层借以降低集电区空穴的贮存。
本设计我们采用硅平面外延晶体管来制作开关管。
由于缓变基区可提高少数载流子通过基区的速度，故采用扩散基区。
同时采用梳状晶体管结构以提高电流容量。
通过以上的分析我们采用外延平面型梳状电极结构的设计方案。
其结构图如下：
图二、梳状晶体管结构示意图
（一）
图三、梳状晶体管结构示意图
（二）
三、横向结构参数确定
通过上述分析及定量计算可确定参数如下：
基区窗孔：
长450
，宽180
；
基极引线孔：
长150
，宽14
，共9条；
发射区窗孔：
，宽30
，共8条；
发射极引线孔：
长130
套刻间距：
8
铝条宽度：
18
反刻间距：
12
四、纵向结构参数确定
集电结结深
：
3.0
发射结结深
1.5
基区宽度
约1.5
基区硼扩散薄层电阻
约150Ω/□
发射区磷扩散薄层电阻
约5Ω/□
外延层电阻率
约1
外延层厚度
外延片衬底电阻率
约0.005
五、主要设计参数的验证
1、验证最高工作电压
由外延层电阻率
=1
算得，
，查P-N结击穿电压曲线图，可得其击穿电压可达100V。
根据设计参数，硼扩散结深
=3
，查平面扩散P-N结的击穿电压曲线图，可得其击穿电压为70V。
因此，虽然集电结结面平直处的击穿电压可达100V，但是由于电场集中效应，集电结边缘棱角处在70V就击穿了，所以晶体管的C、B极击穿电压应为
=70V。
满足设计指标中
60V的要求。
对于共发射极情况，
，如取
=20，并注意到发射结下结面平直处的集电结击穿电压为100V，就可得
=47V，又因为
略小于
，所以可以满足
=45V的要求。
2、验证最大集电极电流
对于中功率晶体管，为了保证器件正常可靠地工作，一般取发射区单位周长所承受的电流
=0.4mA/
，由上述设计的发射区长度为150
，8条发射区的有效周长为2400
可算得
=960mA（如果考虑到发射极条断头处周长，则发射区的总有效周长应更大一些，估算为2800
，则实际的最大集电极电流
约为1120mA），故完全可以满足
=800mA的设计指标要求。
3、验证特征频率
由于
，其中，
式中，m——相移因子；
——载流子从发射极至集电极所需总的延迟时间；
——发射结充电时间常数，
——载流子在基区渡越时间，
——集电结充电时间常数，
——集电结势垒延迟时间，
所以有
（1）、求发射结充电时间常数
取
由图形尺寸可知：
。
合理取e-b结处的杂质浓度为
，可得零偏压时的发射结单位面积电容
，近似认为发射结正偏时的电容为零偏电容的4倍。
所以
=144
故可得到求发射结充电时间常数
（2）、求载流子在基区渡越时间
根据
得载流子在基区渡越时间
（3）、求集电结势垒延迟时间
在测试条件
下，可查表得
=0.17mm.
得集电结势垒延迟时间
（4）、求集电结充电时间常数
由
可知单位面积集电极电容为
取集电区厚度
为10
，由此则得：
（5）、求特征频率
将所得上述时间参数代入
得：
=211MHz
可知设计满足
的指标要求。
4、计算与验证开启时间
和关断时间
（1）、延迟时间
对于延迟时间，基极正脉冲
来临瞬间，发射结电压从
上升到
，设输入脉冲幅度
，又设计指标要求
约为100
，所以有：
实际上，由于延伸电极覆盖于
层上的铝电极形成的MOS寄生电容和管壳分布电容，故实际
值要比上述计算值要大，估算取为
（2）、上升时间
因为
，又根据设计指标要求
由上，开启时间
<
50ns，完全满足设计指标要求。
（3）、贮存时间
在该过程中，基极负脉冲来临瞬间（曲负脉冲
），基极电流立即由
变为：
（4）、下降时间
由上，关断时间
100ns，满足设计指标要求。
从上面验算过程可知，开启时间、关断时间这两个主要参数基本满足所要求的设计指标。
六、器件结构及工艺版图
根据产品的性能要求采取如下工艺路线：
一次氧化——栅环光刻——栅环掺杂——基区光刻——基区掺杂——发射区光刻——发射区掺杂——铝下钝化——氮气退火——电极孔光刻——蒸铝一铝反刻——台金——铝上钝化——钝化光刻——性能测试——减薄——背蒸。
中功率开关晶体管采用梳状结构，其结构设计示意图如图四。
另外，梳状结构晶体管的只含有一个基极、一个发射极的单元的图形结构在此也画出，如图五所示。
图四、中功率开关晶体管的设计结构示意图
图五、中功率开关晶体管单元的设计结构示意图
七、设计总结
经过对设计指标的分析，结合高频大功率管的特点，本设计采用具有分立发射区梳条电极的梳状外延平面晶体管结构，设计出性价比较高的高频大功率管，很好的满足了设计指标的要求。
通过本设计，我对《微电子器件基础》这门课有了更深刻的认识，更好地掌握了晶体管结构、工作原理和使用方法，对所学的专业知识有了更深的理解。
八、参考文献：
·
（1）《微电子器件基础》，曾云编著，湖南大学出版社
⑵《微电子技术基础—双极、场效应晶体管原理》，曹培栋编著，电子工业出版社
⑶《晶体管原理》，张屏英，周右谟编著，上海科学技术出版社
⑷《半导体集成电路》，朱正涌编著，清华大学出版社
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