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
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