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

1、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

2、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

3、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

4、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：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；在工艺制作方面，一般采用金扩散，以降低少子贮存；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

5、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

6、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150/发射区磷扩散薄层电阻 约5/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

7、=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1120 mA），故完全可以满足=800 mA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，

8、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

9、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

10、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，电子工业出版社晶体管原理，张屏英，周右谟编著，上海科学技术出版社半导体集成电路，朱正涌编著，清华大学出版社