晶体管设计.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2011-10-11,#,超高频晶体管设计总方案,第二组,Present,400 MHz 9 W,硅,NPN,超高频功率晶体管设计方案：,1,功能（应用方向）,随着工农业生产和国防建设的发展，在通信、电视、自动控制和遥测、遥控等方面需要的高频大功率晶体管数目日益增多，参数水平也越来越高。,（仪器类型,),通讯机,（应用类型）,甲类功率放大,（具体位置）,末级功率放大,。,请具体说明你所选方案的功能：,通过,P,B,扩散形成,NPN,，覆盖型结构，采用,G1,型封装，用功率晶体管特性图示仪和功率增益测试仪，加钝化技术，淀积一层低密度二氧化硅，加,G1,型散热片。,2,对器件的要求,此,PNP/NPN,超高频功率晶体管在电路中的大多用于甲、乙、丙类工作状态，但在本次设计中我们把它设定运用在甲类工作状态，并应用于共射级形式，因此其基本参数指标为：,f=400 MHz,；,P,O,=9 W,；,Kp=5 dB,Vcc=12 V,；,=0.4,。,指标分析：,（,1,）集电极维持电压,(V,sus,),在共射级甲类运用的条件下，晶体管的集电极,-,发射极间要承受的电压峰值为,2Vcc.,所以，为了保证晶体管能安全的工作，集电极维持电压应为,V,sus,2V,cc,=24 V,（,2,）最大集电极电流（,I,cm,）,晶体管在甲类工作时，最大集电极电流应为,I,c m,4P,O,/V,cc,=3 A,下面我们按照,I,c m,=3 A,进行设计。,（,3,）最大耗散功率（,P,cm,）,根据设计指标，,P,O,=9 W,=0.4,，电源提供的直流功率应为,P,D,=P,O,/,=22.5 W,为使在负载开路、短路、失谐的情况下，晶体管仍能安全地承受电源提供的全部直流功率，因此，最大耗散功率定为：,P,cm,=P,D,=22.5 W,（,4,）热阻,对于硅材料，最高结温,Tjm,为,T,j m,=6400/,（,10.45+ln,c,）,（,3,1,）,式中,c,为外延材料的电阻率。由式可见，当外延集电区电阻率,c,200,。考虑到降低最高结温有利于晶体管的可靠性和稳定性，故选取,T,j m,=175,，同时选取环境温度,T,a,=25,。由此得到的晶体管热阻为,R,T,=(T,j m,-T,a,)/P,c m,=6.67,/W,（）高频优值和特征频率,在工作频率为,400 MHz,若要满足,K,P,3.2,倍，则高频优值,5.12*10,17,。,根据,f,T,的选取原则，工作频率,f=400 MHz,。结合制作工艺的限制，因此取,f,T,=800 MHz,比较合适，则,6.62*10,-11,S,综合上面的分析结果，得到主要参数指标如下：,V,sus,24 V I,cm,=3 A P,cm,=22.5 W,R,T,=6.67,/W f,T,=800 MHz K,P,f,2,5.12*10,17,Hz,2,6.62*10,-11,S,综合以上分析，在设计过程中，应该着力解决以下两对矛盾：一是高频率和大功率的矛盾，二是设计指标与加工难度的矛盾。,对于前者，在晶体管处于大注入工作状态时，会产生集电极电流集边效应、基区电导调制效应和基区宽变效应等，以上效应会对基区渡越时间,B,进而对特征频率,f,T,产生影响；对基区电阻,r,b,、有效基区宽度,W,b,、集电极电容等等均会有所改变；,此外，设计指标中，为了使功率晶体管既能达到比较高的设计使用指标要求，同时又要考虑到加工难度不能过高，要符合目前的加工工艺水平，这就要求对各方面要求要综合考虑，找到最优方案。,基片及纵向工艺参数的选择：,纵向结构参数主要是指结深、基区宽度、外延材料的电阻率和厚度以及各区中杂质的表面浓度和薄层电阻，下面分别进行估算。,（,1,）集电极外延材料电阻率的选取,集电区外延材料杂质浓度,N,c,主要由集电结击穿电压,决定，据集电极维持电压,V,sus,=24 V,的要求，由式,对于硅,npn,平面型晶体管，取,n=4,，,=80,，可算得,72 V,。查图,1,，,可以知道，为满足击穿电压的要求，外延材料杂质浓度应低于,8*10,15,/,。我们初步选取,N,c,=5*10,15,，相应的材料电阻率在,=0.24,。参考图,8,。,对于平面浅结器件，若选取浓基区结深为,3,m,查图,2,可知，,实际器件的击穿电压约为,=80 V,。由于在结的表面区,较低，故现在能满足集电极维持电压的指标要求。,此外，根据理论分析知道，在高频区工作，的频率特性是按,6dB/,倍频规律下降的，,所以根据式,，若假设,n=4,，,=600MHz,，,=400MHz,。可以知道，取,N,c,=,时，在高频区工作，有可能扩大工作区范围。如果击穿电压的指标要求较低，那么选用的集电区外延材料的电阻率也可以降低。,（,2,）基区宽度的选取,根据前面所述基区宽度的选取原则，可以知道，对于,f=400MHz,，采用磷硼扩散工艺制作的高频大功率晶体管，基区宽度的最小值可以选取为,0.5m,，最大值受,指标限制根据工艺技术水平的实际情况，可以在这个范围里选取适当的数值。作为近似估算，假设基区渡越时间,等于其它各个时间常数之和，则基区宽度为,=_0.56m,（,4,1,）,取,=4,，,N,B,=1*10,18,/cm,3,查图,9,可知,=300cm,2,/V*S,，从而可以计算出,D,nb,，代入上式即可得,W,b,。,（,3,）发射极和集电极结深的选取,由于采用磷硼扩散工艺，在基区宽度取为,_1*10,21,/cm,3,。,由于在发射区扩散过程中，基区出现下陷效应，使基区平均杂质浓度下降，并考虑到过高的发射区杂质浓度反而使发射极效率下降，故取理论值,N,Eo,=,1*10,21,/cm,3,。,（）浓基区扩散的结深和表面杂质浓度的选取,覆盖式结构中的深结浓基区网格起着如下三方面的作用：提高集电结击穿电压，减小基极电阻以及作为基极部分引线。,浓基区结深主要受单元发射极条间距和集电结电容的限制，考虑到横向扩散，取浓基区扩散结深,=3,m,。,浓基区硼扩散的薄层电阻愈低，则小发射极条长的限制愈小。考虑到工艺上的可能性，选取浓基区硼扩散薄层电阻,R,b3,=2,4/,则相应的浓基区硼扩散表面浓度应选为,5*10,20,/cm,3,。,（,6,）外延层厚度的选取,其中外延层厚度主要由集电极结深、集电区宽度和衬底杂质反扩散的深度决定的。,综上所述，纵向结构设计的参数值如下：,基区宽度,W,b,=0.56,m,淡基区硼扩散结深,X,jc,=0.9,m,浓基区硼扩散结深,X,jc,=3,m,发射结磷扩散结深,X,je,=0.56,m,外延层厚度,W,epi,=13.3,m,淡基区表面杂质浓度,N,Bo,=2.4*10,19,/cm,3,淡基区硼扩散薄层电阻,R,b2,=150,/,浓基区表面杂质浓度,N,Bo,=5*10,20,/cm,3,浓基区硼扩散薄层电阻,R,b3,=3,/,发射区表面杂质浓度,N,Eo,=,1*10,21,/cm,3,发射区磷扩散薄层电阻,R,E,=5,/,外延层杂质浓度,N,c,=5*10,15,/cm,3,外延材料电阻,c,=0.24,cm,2,基本图形和横向尺寸的选择：,管芯的几何图形选定以后，就可以根据参数指示的要求，初步确定光刻版上各个尺寸的大小，其中主要参数有：发射区面积以及浓基区网格与发射结边沿的间距等。下面逐个进行讨论。,（）单元发射极宽度、长度和个数的选取,首先要确定集电极最大电流值,J,c m,。根据,N,B,=1*10,18,/cm,3,，得到相应的,D,n b,，,W,b,，得到发射极临界电流密度为,J,E m,=-=0.6*10,4,A/cm,2,（由于有效基区扩展效应）,再求集电极临界电流密度,=6.9*10,3,A/cm,2,（由于基区电导调制效应）,比较上述两个临界电流值，则集电极最大电流密度值应选为,J,cm,=6.9*10,3,A/cm,2,不计集电极电流通过基区时所产生的横向扩散，那么所需要的发射极有效面积,A,eff,=4.3*10,-4,cm,2,由电流集边效应决定的发射极有效半宽度：,S,ef f,=,（,4,3,）,式中,为基区平均电导率，,，,相对应的少数载流子迁移率可由图,9,查得。,所以，设计晶体管的发射极条有效宽度为,2 S,ef f,。,发射极总周长,L,e,作如下估计：,L,e,=1.48 cm,这里所选的线电流密度,J,l,=2.03 A/cm,覆盖式结构单元发射极有效长度可根据下式计算，选取合适的发射极条数目,n,、浓基区网格作为内引线部分宽度,s,b,以及浓基区薄层电阻,R,b3,发射极有效长度。（先设定一个估计的数值,n,，再由,n,计算出单个发射极条有效长度,Leff,。设计的发射极条的实际长度要小于,Leff,，而后将取得的实际单个发射极条周长乘以,n,得出总周长，与之前算出的总周长数值比较。判断是否相似，相似则判断为,n,取值正确，否则须重新设定,n,的取值。）,n=14.4,，,s,b,=6 um,R,b3,=3,/,。得发射极有效长度为,L,eff,=39.94,m,（,4,4,）,其中,I,B,=,。,选取单元发射极条长度,，确定发射极条长宽比（比例为,7,：,1,左右）再由每个单元发射极条周长算出发射极总周长，验证是否与初定发射极总周长值相符，若差别大，则需再调整,n,的取值。,最后确定基区图形状，以及行数,11,列数,10,。,（）基区面积的选取,基区面积的上下限由晶体管的热阻指标决定，其上限由功率增益指标决定。则基区面积的下限值为,A,b,其中,t,为管芯晶片的厚度，硅的热导率,=0.85W/,cm.,（）发射极引线孔尺寸的选择,根据光刻最小间距为,3m,，发射极条宽为,8,m,，所以发射极引线孔的宽度选为,3,m,，以有利于光刻工艺的操作，于是发射极引线孔的长度为,45,m,。,（）浓基区和淡基区窗口尺寸的选择,浓基区和淡基区扩展窗口尺寸主要有横向扩散，光刻、制版精度以及有利于光刻对准操作所决定的。浓基区窗口包围一个发射极条，其间距分别为,4.5 m,和,6.5 m,，所以淡基区扩散窗口长度为,69,m,，宽度为,17,m,。浓基区横向宽度定为,8 m,，纵向宽度定为,14 m,以及基极引线孔定为,8 m,。,（）发射极镇流电阻尺寸的确定,若要求当温度升高,10,度时，晶体管发射极电流保持在以内，发射极镇流电阻,按如下计算,=0.098,欧,（,4,5,）,镇流电阻是由镍铬膜构成的薄膜电阻，我们采用膜层电阻,的镍铬薄膜做镇流电阻。为了避免铝电极与硅互溶和增加可靠性，将镍铬薄膜盖在整个发射极引线孔和基极引线孔上（注意：为确保光刻过程中覆盖住引线孔，镍铬薄膜应比引线孔宽出,2,微米）。小单元发射极引线孔长度为,45,，选取镍铬薄膜的宽度为,51,，则可以算得长度约为,26,。,（）铝金属电极尺寸的确定,铝金属电极膜覆盖在镍铬镍上，热压部分与发射极引线孔部分之间断开,30,，如图,6,所示。,发射极铝金属条宽度选为,51,，基极铝金属条宽选为,12,，铝金属条厚度选为,1.0,。键合内引线采用直径为,60,的硅铝丝。,发射极和基极共四个压点，其面积每个皆为,120,120,左右。,（）光刻版图形尺寸,L,综合上面的分析，横向结构设计的参数如下,（,8,）版图编辑软件,L-Edit,3,版图参数设计,S,bw,=,18,，S,ew,=,10,，S,eb,=,6,，S,e,=,0.29,，,S,mb,=,6,，,L,ew,=,10,，,L,e,=,70,，,L,bw,=,82,，,S,b1,=,6,，,S,b2,=,8,(,单位微米）,各个参数的意义如下：,S,bw,：单元淡基区宽度；,S,ew,：单元发射极引线孔宽度；,S,eb,：发射极与淡基区扩散窗口之,间的距离；,S,e,：单元发射极条宽；,S,mb,：基极引线孔宽度；,L,ew,：单元发射极引线孔宽度；,L,e,：单元发射极条长；,L,bw,：淡基区扩散窗口长度；,S,b1,：浓基区网格作为内引线部分宽度；,S,b2,：刻基区引线孔部分的宽度。画出管芯单元版图以及覆盖式晶体管光刻版图：,4,工艺流程：,(1),切、磨、抛：根据管子的性能选择相应的单晶硅，按要求的厚度沿（,111,）面进行切割，然后用金刚砂进行研磨，最后用抛光粉进行抛光，使表面光亮，无伤痕。,(2),外延：在低电阻率的硅片上外延生长一层电阻率较高的硅单晶，这样高电阻率的外延层可提高集电极的击穿电压，低电阻率的衬底硅片可降低集电极的串联电阻，减少饱和压降。,(3),一次氧化（基区氧化）：将硅片放在高温炉中进行氧化使表面生长一层一定厚度的二氧化硅薄膜。,(4),一次光刻（基区光刻）：在二氧化硅层上，按器件要求的基区图形刻出窗口，使杂质只能通过此窗口进入硅片，而不能进入有二氧化硅覆盖的硅片其它区域。基区光刻要求窗口、边缘平整，无小凸起和针孔。,(5),硼扩散,/,硼注入、退火：采用扩散或注入的方法在,N,型的外延层中形成,P,型的导电区,基区。采用注入的方法需使用退火来恢复注入对晶格的破坏以及激活注入进的硼原子。,(6),发射区光刻：为发射区磷扩散刻出一定图形的窗口。要求同基区光刻。,(7),磷扩散（磷再扩）：形成发射区的过程。改变再扩条件来改变参数,值和,BVCEO,的值。,(8),低氧：在整个硅片上生长一层氧化层以进行引线光刻，同时也可进行放大系数,的微调。,(9),引线孔光刻：刻出电极引线接触窗口。要求引线孔不刻偏，减少针孔。,(10),蒸铝：用真空蒸发的方法将铝蒸发到硅片表面。,(11),反刻铝：刻蚀掉电极引线以外的铝层，留下电极窗口处的铝作为电极内引线。,(12),合金化：蒸发在硅表面的铝和硅之间的接触不是欧姆接触，必须通过合金化使其变成欧姆接触。,(13)CVD,：在硅片表面淀积一层二氧化硅，作为布线的最后钝化层，作为电极间绝缘，消除有害缺陷。,(14),压点光刻：刻蚀出压焊点。,(15),烘焙：改变硅片的表面状况，减小小电流不好。,(16),机减：根据硅片功率耗散的要求，减薄至所要求的厚度。,(17),抛光：使减薄后的表面更加平整。,(18),蒸金：在硅片背面蒸上一薄层高纯度金，提高电路的开关速度，而且便于以后芯片烧结。,(19),金合金：使金与硅形成更好的接触，防止在烧结时金脱落。,(20),中测：将参数不合格的管芯剔除。,7,可靠性设计,（,1,）、影响晶体管可靠性的因素,1,）、,-,系统电荷的影响因素：,A,、界面态电荷；,B,、固定电荷；,C,、可动电荷；,D,、陷阱电荷；,E,、表面吸附电荷；,2,）、表面电荷对晶体管性能的影响：,A,、反向电流增大；,B,、表面电荷使击穿电压下降；,C,、表面电荷使电流放大系数减小；,D,、,1/f,噪声的影响；,E,、对晶体管稳定性和可靠性的影响；,3,）、管芯裂纹对可靠性的影响：,4,）、封装对可靠性的影响：,5,）、后工序对可靠性的影响：,（,2,）、晶体管的可靠性概要：,1,）、可靠性的定义：,晶体管的可靠性，直接与晶体管的材料、结构、使用目的以及使用电路的电学、热学条件、温度、湿度、压力、放射性辐射、振动、冲击、腐蚀气氛等密切相关。,所谓晶体管的可靠性，是指在一定的时间内，在规定的条件（使用环境和工作条件）下，能正常工作的概率。,2,）、晶体管的失效方式,所谓晶体管失效，是指晶体管已不能满足某种使用要求或损坏而言，常见的失效方式有：,电参数热化，超过允许的变化范围之外；,管芯烧毁，硅片有熔化点；,内部引线断，压焊点变坏或脱落；,金属化电极损坏或断；,外部引线损伤或断；,管壳密封失效；,硅片裂纹；,表面劣化，氧化层质量变坏；,因辐射问题晶体管击穿特性变软；,（,3,）、可靠性实验：,1,）、目的：,A,、通过可靠性实验，可以充分暴露器件在各方面的问题，以便进行改进，达到预定的可靠性指标；,B,、通过每一批产品进行可靠性抽样实验，可以了解工艺线的稳定生产程度；,C,、为制定合理的工艺筛选条件提供依据；,D,、研究器件失效机理；,E,、对产品进行可靠性鉴定；,2,）、可靠性实验的基本项目与内容：,可靠性实验是指各种环境条件下的模拟实验和使用实验，通常可分为环境实验、寿命实验和特殊实验三大类，包括的内容如下：,环境实验,振动加速度，冲击加速度，离心加速度，变频振动加速度，温度循环，热冲击，湿度，盐雾，低气压，引线强度，可焊性，低温下测参数，高温下测参数；,寿命实验,贮存：室温贮存、高温贮存；,工作：室温工作、高温工作；,特殊实验,加速实验，核辐射，超高真空，红外线，,X,射线，氦检漏，放射性示踪检漏,8,预期结果及结果验算（理论验算）：,主要需验证的参数有功率增益,和特征频率,，以便了解设计选取的参数是否合理，是否需要调整。,（,1,）、功率增益 的验算：,公式：,（,46,）,（,i,）、计算集电极输电容,：,（,4,a,、计算,：通过查参考图,5,，可得单位集电结电容,，再利用公式,可得,。,b,、计算,：,（,4,8,）,其中,为,SiO2,膜厚度，,为基极延伸电极汇流部分铝金属面积，,Eox=3.9,。,P,C,C,+,c,、,为管壳分布电容由实测确定，若采用,G-1,型氧化铍管壳,=1pF,。,d,、对上述三项求和得出集电极输出电容。,（,ii,）、计算基极电阻,可利用,Se,、,Seb,、,Sb,、,leb,以及,le,，算出薄层电阻。通过查附图,8,得到平均电导率,，从而得出薄层电阻。基极与硅接触的金属即为做镇流电阻用的镍铬了，其接触系数,查附图,7,，,为每个单元中基极金属电极面积。将上述计算出的数据代入（,4,9,）式，可求得,。,（,iii,）、发射极引线电感,发射极引线电感由管壳上发射极外引线电感和管芯上发射极内引线电感组成。对于,G1,型封装，管壳上发射极外引线电感为,1.0nH,，管芯上发射极内引线电感组成为,0.3nH,。因此发射极引线电感为,1.3nH,。,（,iv,）、利用以上所算参数得出功率增益,，并验证是否满足设计指标要求。,A,b,=3.8,10,-3,cm,2,C,TC,=11.4pF,C,pad,=1.57pF,A,pad,=9.12,10,-4,cm,2,C,C,=11.4+1+1.57=13.97pF,R,b,=0.66,=1nH,f,T,=700MH,经过计算得,Kp=17.31,倍,（,2,）、特征频率,的验算：,公式：,（,4,10,）,（,i,）、计算发射极电容,发射结在正偏情况下，结电容,约为零偏压下的,2.5,倍，,=2.5 (0),。采用线性缓变结近似，在零偏下发射结电容为,4,11,4,12,晶体管，发射区扩散一般采用一次扩散方式，对于高频大功率杂质分布依从余误差函数分布，发射结处浓度梯度,可按式（,4,15,）计算，根据,Nbo,、,xje,和,xjc,，再由式,（,4,13,）和式（,4,14,）可算得,La,、,Ld,。把上述数值代入式（,4,15,）和式（,4,16,），得,、,。由此得出发射结电容,。,再对发射结侧壁电容的贡献做出估计，算出发射结侧壁面积约占底面积的百分比，由于扩散结表面浓度大，近似估计时可比此百分比大一些，加上发射结侧壁电容的贡献（一般典型值为,20%,），最终算出,。,（,ii,）、计算集电极电阻,在小电流下，可假定集电区通过电流区域的截面积即为发射区面积,，作为近似估计,（,4,16,）,将上述数值代入,表达式，算出,，验证是否达到设计指标。,N,C,=4,10,15,cm,-3,N,BC,=1,10,18,X,jc,=1.2um,Xje=0.66um,NE0=1,1021cm-3,N,B0,=2,10,19,cm,-3,得出：,L,A,=813.9,L,D,=0.0144,a,je,=2.77,10,16,n,i,=1.5,10,10,cm,-3,Vg=3.248v,r,cs,=1.5,Ae=6.67,10,-4,cm,2,C,Te(0),=158PF,C,Te,=395pF,V,sl,=1,10,7,cm/s,代入公式计算得：,f,T,=853MH,Thank you,