晶体管设计分析

1、1. 课程设计目的与任务22. 设计的内容23. 设计的要求与数据24. NPN管图形结构的选择35. 确定纵向结构参数3(1) 各区掺杂浓度及集电极外延材料电阻率的选取3(2) 各区少于迁移率、扩散长度的计算4(3) 集电区厚度Wc的选择6(4) 基区宽度的选取7(5) 发射极和集电极结深的选取86. 横向尺寸的选择8(1) 单元发射极宽度、长度和个数的选取8(2) 发射区和基区面积的选取97. 参数验证108. 工艺版图119晶体管课设心得体会123NPN双极型晶体管的设计1、课程设计目的与任务电子器件课程设计是继微电子器件基础、微电子工艺和半导 体物理理论课之后开出的有关微电子器件和工艺

2、知识的综合应用的课程，使我 们系统的掌握半导体器件，集成电路，半导体材料及工艺的有关知识的必不可少 的重要环节。u的是使我们在熟悉晶体管基本理论和制造工艺的基础上，掌握晶体管的设 计方法。要求我们根据（1）分析设计指标，确定主要参数；（2）选择合适工艺, 确定工艺水平；（3）根据参数要求和工艺水平计算管芯纵、横向结构参数；（4） 主要参数验算或器件、工艺模拟；（5）画出器件版图等设讣过程的训练，为从 事微电子器件设计、集成电路设计打下必要的基础。2、设计的内容设计一个均匀掺杂的pnp型双极晶体管，使T二300K时，hre/Ic=500/2mA, BVcbo二30V.晶体管工作于小注入条件下，最

3、大集电极电流为Ic二100mA,集电极耗 散功率Pc=300mWo特征频率f：二300MHz。设计时应尽量减小基区宽度调制效应的 影响。3、设计的要求与数据（1）了解晶体管设计的一般步骤和设计原则。（2）根据设计指标设计材料参数，包括发射区、基区和集电区掺杂浓度焉XB, 和E根据各区的掺杂浓度确定少子的扩散系数，迁移率，扩散长度和寿命 等。（3）根据主要参数的设计指标确定器件的纵向结构参数，包括集电区厚度Wc, 基本宽度Wb,发射区宽度We和扩散结深X：c,发射结结深X%等。（4）根据设计指标确定器件的图形结构，设计器件的图形尺寸，绘制出基区、 发射区的光刻版图。在设计过程中，应该着力解决以下

4、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tB进而对特 征频率fT产生影响；对基区电阻rb、有效基区宽度Wb、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, 同时乂要考虑到加匸难度不能过高，要符合LI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。4、NPN管图形结构的选择NPN管的图形结构如下：5、确定纵向结构参数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

5、及各区 中杂质浓度，下面分别进行估算。（1）各区掺杂浓度及集电极外延材料电阻率的选取击穿电压主要由集电区电阻率决定。因此，集电区电阻率的最小值山击穿电 压决定，在满足击穿电压要求的前提下，尽量降低电阻率，并适当调整其他参量, 以满足其他电学参数的要求。对于击穿电压较高的器件，在接近雪崩击穿时，集电结空间电荷区已扩展至 均匀掺杂的外延层。因此，当集电结上的偏置电压接近击穿电压v时，集电结可 用突变结近似，对于Si器件击穿电压为匕=6x10巩川肚）冷，由此可得集电区 杂质浓度为：聖）二（3 /%。"1 + 0%山设计的要求可知C-B结的击穿电圧为：BVCBO二30V 根据公式，可算岀集电

6、区杂质浓度：6x10叮6x10”< BVcbo >、30丿Nc =3 =2.52xl0,6cm一般的晶体管各区的浓度要满足NE»NB>NC,根据以往的经验可取:心=0NC9Ne =100 TV”即各区的杂质浓度为:Nc = 2.52 x 10 叫严 心=2.52 x 10 化严 仇=2.52 x 10叫严根据图1可知，相应的材料电阻率在pc 03 Q cm(ulygd00门 l|7300KHHH i卡昔IttiWnf: -ttt* qJLL 卜卜Ff+|"t T “二:卜, :u. r呻4、' I上fl10*51016107IQliIO151020

7、Ae(ctn3)图1对于硅材料，最高结温Tjm为Tjm = 6400/ (10. 45+lnPc)式中一为外延材料的电阻率。由式可见，当外延集电区电阻率P X 5cm - Q 时，Tja>200°Co考虑到降低最高结温有利于晶体管的可幕性和稳定性，故选取 T,f175°C,同时选取环境温度T尸25°C。由此得到的晶体管热阻为RT = (Tj m-Ta)/ Pc m= 200 °C/W(2)各区少于迁移率、扩散长度的计算根据图2,得到少子迁移率：11Pc = “卩=450c, IV s 曲=h = 550cm2/V s Pe = "“ =

8、150cvn2 IV sa fr二 if*2 (S A希Eydd它应IUBII 寸15IXlOg2lx IO*7.2:2 t 2 ： ：l心或 ND(cnrUlx0»4.25 mg.23 0985 0-7 9 KI4O46C454545343413733-rn?: 4 “ 44S-*，14 nSTTuTTi) < J J i "“ i i I&.亠4匸:Trr I 0 i 4 ArT-y-i'VTVT = 300 K r HI-cls:.-?-.:11?1; 81-; 4FrAr.?mK- > !& «4*1()IO»

9、*1015101610171018g或Nd 2nr巧图2室温下载流子迁移率与掺杂浓度的函数关系»u ?<>. Vv4<l> <>4*4*n»» .根据公式可得少子的扩散系数:Dc =一“(. = 0.026x450= 11.7c/h2/5 qLTDb =0.026x550 = 14.3c/n2/5 qPT0 =一/, =0026x150 = 39mF/$ qIW 5-21 p Si屮少 数叔 流 子电了的右命和 扩Ftt氐皮 号抄杂 浓攻:旳九系io”io-IO*3IO*1O,510to0 10-心9lO伍牌冰度浴"5

10、, >g«盂乐2 ? ""O 111B*3 5-22 n ® Si中少數载流于空穴的奇饰利扩阪坦皮月摊杂浓度的关系图3少子寿命与掺杂浓度的函数关系根据图3,可得到各区的少子寿命、s和珥rc =1x105rH =1.2x10”$te =1x10"s5为了方便得到较合理的基区准中性宽度，所以这里的少子寿命取值为Tc = 1x105th = 1.2x105r£ = 1 x 10s5根据公式得岀少子的扩散长度：Lc = JSc = V11.7X1X10-6 ® 3.42x 10%”Lr = ylDBTB = V14.3xl.2

11、xl0-6 Q4.14xl0"3c/nLe = jDErE = V3.9xlxl0"8 a 197x1(TS(3)集电区厚度Wc的选择根据公式求岀集电区厚度的最小值为:丄2强B%下 _2x8.85x1 O'14 xll.8x30a 1.25 X 1cm = 125 pmqNcWc的最大值受吊联电阻匚的限制。增大集电区厚度会使吊联电阻匚增加,J 1.6x10-,9x2.52x1016饱和压降Vchs增大，因此的最大值受吊联电阻限制。综合考虑这两方面的因素，故选择We=6um(4)基区宽度的选取基区宽度的最大值对于低频管，与基区宽度有关的主要电学参数是，因此低频器件的基

12、区宽1 w2度最大值由 确定。当发射效率时，电流放大系数- =因此基区0 心宽度的最大值可按下式估计：警卡r为了使器件进入大电流状态时，电流放大系数仍能满足要求，因而设计过程中取根据公式，求得低频管的基区宽度的最大值为:4x（4.14xlO）37xio,4c7n =500山公式可看出，电流放大系数0要求愈高，则基区宽度愈窄。为提高二次击 穿耐量，在满足0要求的前提下，可以将基区宽度选的宽一些，使电流在传输过 程中逐渐分散开，以提高二次击穿耐性。基区宽度的最小值为了保证器件正常工作，在正常工作电压下基区绝对不能穿通。因此，对于高耐压器件，基区宽度的最小值山基区穿通电压决定，此处8匕的=30V,对

13、于均匀基区晶体管，当集电结电压接近雪崩击穿时，基区一侧的耗尽层宽度为：X2 叶2*（）£s“八qN° （Nd + nJ CR（）2.52X10162xll.8x8.85xl0-14 “=xx 301.6x10H9 x2.52x10172.52x1017 +2.52x1016 « 1.2x 10"5 cm = 0.12/jm在高频器件中，基区宽度的最小值往往还受工艺的限制。则由上述计算可知基区的范用为：012如3.711 这里基区宽度取1.7umo（5）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1.7pm情况下，必须考虑基区下陷 效应的影

14、响。如果令皿",并假定基区下陷深度W扛基区宽 度为 因已经选取叱，二1.7pm , X= Wh = 1.7 jxm,集电极结深二/0.5二 34ym。6、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。（I）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几。根据心=2.52x10%”严，得到相应的Dab, Wb,得到发射极临界电流密度为（由于有效基区扩展效应）再求集电极临界电流密度2£$£o|cc|Nc = 3.4X10

15、4 A/cm2（由于荃区电导调制效应）比较上述两个临界电流值,则集电板最大电流密度值应选为Js二 9.6X1 （Wen?不计集电板电流通过基区时所产生的横向扩散，那么所需要的发射板有效面=0.1 X IO"4 cm由电流集边效应决定的发射极有效半宽度：17 伙厂=2xl0-4cm（工作频率设定在 180MHz）'L jj 式中瓦为基区平均电导率，云=0伽瓦，兀相对应的少数载流于迁移率 经上文査得。所以，设计晶体管的发射极条有效宽度为2 Scffo发射极总周长LJ乍如下估计：=0.05cmS叨这里所选的线电流密度心=牛=2A/cm如有n个发射板单元，金属薄层电阻ROm,电极宽S

16、m,贝I：KTq工程实际一般取：leff a（4S）Se这里取匚=4S.则发射区小单元数:20S”0.0520x2x107=12（2）发射区和基区面积的选取发射区小单元周长为：-A罟Tg又知发射极有效宽度为:Sf = 2Scff = 4帥故发射极长度为：/f = 16.8/z/h因此,可得发射区面积血=仃=672如2基区面积可取 心=8x25 = 200/z27、参数验证与陀结二极管的分析类似，在平衡和标准工作条件下，BJT可以看成是由 两个独立的陀结构成.具体来说，由于 3>心,所以E-B耗尽区宽度（临） 可近视看作全部位于基区内，乂III > Nc ,得到大多数C-B耗尽区宽度

17、（I怙） 位于集电区内。因为C-B结轻掺朵一侧的掺杂浓度比E-B结轻掺杂一侧的浓度低, 所以另外注意到是基区宽度，用是基区中准中性基区宽度；也 就是说，对于晶体管，有：叫=W + x问+X心其中©EB和X”CB分别是位于N型区内的E-B和C-B耗尽区宽度，在BJT分析 中W指的就是准中性基区宽度。E-B结的内建电势为:(1O10)2伽=竺山淬=0.026xin 2.52xEx2：52xa = 1 q 町C-B结的内建电势为:怙=耳比嚳 “026汕竺渾竽泄826Vq 阵(1O10)2根据公式,E-B结在基区一边的耗尽层宽度兀冋为:/ Ne » Nb ,可以当成单边突变结处理2

18、xll.8x 8.85xl0",4xl1.6x10-|9x2.52x1016a 2.28 x 10"5 c/n = 0.228pm所以有5 =NE+Nb严122xll.8x8.85xlO"141.6xl0"192.52xl0162.52x 10,7(2.52x 1016 + 2.52x IO17)x 0.826« 1.97 x W6cw = 0.0197如对于准中性基区宽度叭 取基区宽度V匕=17“”，则W = % - 乂问 一 X直R =1.6 -0.228 一 0.0197 = 1.45 fjm验证其取值的准确性，根据公式有:似一化如里+丄（兰丫Dr Ne Le 2Lb ）11.2x10"3.92.52xlO171.2xl0-411.97x102 (4.14x10XXr + -X14.3 2.52xl019。494解得的B接近于设计的要求，符合设计指标，所以基区宽度为I匕=17“,满足条件1匕v37“O8、工艺版图基区#发射区一定位孔器件总图:走位孔全屋孔9 晶体管课设心得体会虽然我们已经学过半导体器件的基本专业课，但是在着手设计时其所带来的 困难却是相当大的，因为设计过程中需要书写大量的