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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- 毕业设计 144 湖南大学 功率 开关 晶体管 设计