高频功率晶体管设计实例.docx

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高频功率晶体管设计实例

高频功率晶体管设计报告

组别：

志贤队

组员：

李嘉雄

谢帆斌

刘志贤

王业

许纯锴（组长）

2021年8月8日星期日

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（Totalharmonicdistortion）

---（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2vcc，故根据式Ic=Vce/RL,最大集电极工作电流为Ic=2Vcc/RL

根据式Pc=Ic^2*RL,最大耗散功率为Pcm主要与热阻RT有关，而热阻又与基区面积Ab，芯片厚度t有关。

效率最大理论值为50%，但由于vces,Iceo的存在，实际效率小于50%，输出信号功率Po,热量的耗散功率为

最大耗散功率

晶体管的最高结温为Tjm=150~200摄氏度；当Tjm由200降到150时，平均失效时间可增加5倍。

★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１／２～２／３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,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0.25W,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。

IE@0，IC@0，UCE@EC，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，UCE@0，IC=EC／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=βIB

　　◆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：

二纵向结构参数的选取

1.集电区外延材料电阻率的选取

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=4.25x10^18cm^-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=1.83x10^23cm^-4

再由式

得基区平均杂质浓度为

=1.16x10^18cm^-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=120cm^2/V`s。

Rb1=1.76x10^3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E3=140KeV,注入剂量为Nb3=2x10^15cm^-2时，其方块电阻为Rb3=5欧。

对于发射区,砷注入的表面浓度NES=5x10^20cm^-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,纵向结构设计得到的参数如下:

淡硼基区结深

=0.51µm

发射区结深

=0.26µm

发射结外的杂质浓度梯度

=1.83×

cm-4

基区宽度

=0.25µm

淡硼基区硼离子注入能量

=60keV

淡硼基区硼离子注入剂量

=8×

cm-2

有源基区方块电阻

=1.76×

Ω

无源基区方块电阻

=1.3×

Ω

砷离子注入发射区表面浓度

=5×

浓硼区结深

=1µm

浓硼区硼离子注入能量

=140keV

浓硼区硼离子注入剂量

=2×

浓硼区方块电阻

=5Ω

外延层杂质浓度

=5×

外延层电阻率ρC=1Ω·cm

衬底电阻率ρ衬=0.01Ω·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=320cm^2/V.s，Up=120cm^2/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.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=400~2000MHz时,io的经验数据为0.4~0.8A/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=2660um2

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

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

可表示为

=

……..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Teb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……………取氧化层厚度Tox=0.6um,则整个晶体管的延伸电极电容为…………………折合到每个子器件应为上式的1/4.管壳约为1pF,折合到每个子器件也应为其1/4.故每个子器件的集电极部电容为……..从式可见,在集电极总电容的三部分中,管壳电容占了大部分.所以在微波范围内寄生参数的影响是很大的,在设计晶体管时必须千方百计地降低寄生参数.于是可求得子器件工作点电流Ie=25mA时的Tbc为…………….

（4）大电流情况下,基区渡越时间Tb为………….

（5）根据式........,基区渡越时间的修正量为……………

（6）根据式,集电结耗尽区延迟时间Td为……………

（7）根据式..........,集电极电容Cob经集电区的充.,放电时间性常驻数Tc为…………..式中,子器件的集电区休电阻为…………..再利用前面得到的集电极电容Cob,即可求得Tc为

（8）最后一项时间常驻数是集电极电容Cob经发射极镇电阻Re的充,放电时间常驻数,即,…..综合上面的结果,可以得到特征频率的计算值为…………….

2功率增益Kp

包括各寄生参数和发射极镇流电阻的作用在内的功率增益为

…….

计算子器件的基极电阻时,可略接触电阻与浓硼区电阻,则……………

子器件的发射极引线电感可取为Le=0.25nH.于是可得到功率增益的计算值为Kp=10若用分贝此可见,Ft与Kp均满足设计要求.

3最高振荡频率Fm

最后可以计算出本例设计的微波大功率晶体管的最高振荡频率Fm为

五总结