微波功率晶体管设计实例2003

1、微波功率晶体管设计这里设计的微波功率晶体管将用于甲类放大,其设计指标如下:工作频率f=2GHz功率增益Kp=10Db效率n=40%输出功率=1W电源电压=20v1.1一般考虑:在发射极甲类运用时，根据图，晶体管的集电极与发射极之间应当能承受的电压峰值为2，故。根据式，最大集电极工作电流为=0.2A。根据式，最大耗散功率为=2.5W。选取最高结温=150；环境温度=25；根据式，热阻=50/W。当考虑到各寄生参数和发射极整流电阻RE对功率增益的影响后，高频优值可表示为当工作频率f=2GHz时，要获得功率增益Kp=10dB，则特征频率fT应该选的稍高一些。如果选取fT=3.6GHz，则要求这对Co

2、b、rbb、RE和Le的要求是很高的。为此可考虑采取以下措施。（1） 采用砷硼双离子注入工艺，以获得较小的基极电阻rbb和较小的宽度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） 基区硼离子注入剂量不宜过低，以降低rbb，并保证基区不致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0.05A，热阻为200/W。这种考虑有利于整个芯片内各点的结温均匀化，从而可降低对整流电阻RE的要求，因此可以选取最小的RE以提高Kp。（5） 对部分无源基区进行重掺杂而形成浓硼

3、区，这样可减小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） 由于输出功率并不是太大，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，故在设计方案中采用梳状结构，这样可以因结面积的减小而使各势垒电容变小。（7） 采用H1型带状管壳。1.2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=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Nc=51015cm，相当于C=1。2. 基区宽度WB的选取在选定特征频率fT=3.6GHz后，就要求=4410-12s。在微

4、波范围内，这个频率不算太高，这时各时间常数中占最主要地位的是和。当Vce=20V时，集电结耗尽区宽度，并取=8.5106cm/s，得可见已接近于的1/3。若选取WB=0.25um，并取DB=10cm2/s，则得3. 集电结结深、发射结结深及其杂质浓度的选取采用砷硼双离子注入工艺可不考虑发射结区陷落效应。根据常规，在基区宽度不太小时，可取=1，即选取为0.25，为0.5。这样已足够避开外延层的表面损伤层。为了满足=0.5，选取基区的硼离子注入能量=60keV，注入剂量=8。由下表查的，硼和砷离子注入硅中时的能量与相应的Rp.的值，。由式，得注入硼的最大浓度为。由式，得集电结结深为，于是得发射结结

5、深为。由式，的发射结处的杂质浓度梯度为。再由式，得基区平均杂质浓度为。发射区正下方的有源基区方块电阻为取基区空穴迁移率，得。发射区与浓硼区这间的无源基区方块电阻为式中，对于浓硼区的集电结结深，可初步选取为左右。当浓硼的注入能量为，注入剂量为时，其方块电阻为。对于发射区，砷注入的表面浓度。4. 外延层厚度的选取根据式，外延层厚度应满足当时，浓硼区集电结的耗尽区宽度为考虑到，故应选取。综上所述，纵向结构设计得得到的参数如下；淡硼基区结深发射区结深发射结处的杂质浓度梯度基区宽度淡硼基区硼离子注入能量淡硼基区硼离子注入剂量有源基区方块电阻无源基区方块电阻砷离子注入发射区表面浓度浓硼区结深浓硼区硼离子注

6、入能量浓硼区硼离子注入剂量浓硼区方块电阻外延层杂质浓度外延层电阻率衬底电阻率1.3横向结构参数的选取1. 发射区宽度、长度和条数n的选取根据式，大电流时的发射区有效半宽度为式中，取=320，。由于发射区宽度应稍大于2，并考虑到光刻精度，故选取=。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略大于光刻掩膜版上的发射区宽度。下面在选取浓硼区宽度时也有这个问题。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应略大于发射区宽度，可取=。根据节给出的确定发射极金属电极条最大长度的方法，可选取的金属电极条的长宽比为=17，则得金属电极条长度，于是可选取发

7、射区长度。在确定和后，可算出每一单元发射区的周长。如果了发射区的总周长，将其除以单元发射区的周长，就可的到单元发射区的数目n。根据式，发射区总周长为。式中的代表发射区单位周长的电流容量，可由式求出，即对于的微波功率晶体管，由于基区宽度很窄，大电流下和的下降是由于基区扩散效应，因此最大电流密度应以不发生基区扩散为标准，由式得利用上式的数值和已经选取的及，可算得。当时，的经验数据位为，可见理论值与经验数据符合得很好。于是可得到发射区总周长为，稍加一定的余料后可初步选取。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，每个子器件有条发射区和条浓硼区。2. 子器件基区面积（即集

8、电结面积）的选取根据上面已经选取的单元发射区的宽度、长度和每个子器件中单元发射区的数目n，可以得到每一子器件的发射区的面积为基区面积的上限由晶体管的频率特性决定，而下限由所要求的热阻决定。现选取浓硼区宽度为，发射区与浓硼区间距离为，发射区金属化电极条宽度为，基极金属化电极条宽为，所构成的梳状结构的子器件如下图所示晶体管的截面结构子器件的基区宽度为单元发射区长度加上两端的间距，即。子器件的基区长度为子器件中18个单元发射区宽度、19个浓硼区宽度和38个间距之和，为95。因此，子器件的基区面积（即集电区面积）为虽然现在还不能判断上述是否满足频率特性的要求，但可以先核对一下该是否满足热阻的要求。由于

9、硅片本身的热阻总热阻的绝大部分，故首先来核对这一部分热阻。对每一子器件来说，热源（即集电结）的，硅片厚度F选为，在且时，代表的曲线在横坐标为处所对应的纵坐标为，故得子器件的硅片热阻为由于4个子器件是并联的，所有整个晶体管的硅片热阻约为。对整个晶体管热阻的设计要求是小于。可以看出，当取时，晶体管的硅片热阻比设计要求的热阻小得多，所有该是满足热阻的要求的。3. 整流电阻的选取根据式可确定每个单元发射极上的整流电阻。因为已经采用了多子器件结构，且热阻有较大的余料，所有对整流电阻的要求可以降低些，故可取选取镍镉薄膜作为整流电阻材料，选取其。整流电阻的宽度就是发射极金属化电极条的宽度，则，由式可得整流电

10、阻的长度为为。子器件的整流电阻为综上所述，横向设计可得的参数如下：单元发射区宽度单元发射区长度子器件中的发射区数目浓硼区宽度发射区与浓硼区间距子器件的发射区面积子器件的基区面积发射极金属化电极条宽度基极金属化电极条宽度连接各子器件发射极的内部金属化宽度连接各子器件基极的内部金属化宽度发射极延伸电极直径基极延伸电极直径1.4主要参数的核算1.特征频率fT包括各寄生参数和发射极镇流电阻的作用啊在内的特征频率fT可表示为分母中的代表集电极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： 根据式，发射区延迟时间e为=4.210-12s式中DE取2cm2/s。 根据式，发

11、射结势垒电容CTE的充放电时间常数为式中，IE代表子器件的工作电流，其值为子器件最大电流的一半，或ICmax=0.2A的1/8，即IE=25mA。发射结处于正偏，其势垒电容CTE可表示为式中，代表零偏时的单位面积势垒电容，即将发射结处的杂质浓度梯度=1.831023cm-4和室温下的ni=1.51010cm-3代入，可求得Vg=0.81V，=1.4910-7F/cm2。再将已经确定的子器件发射区面积Ae=45010-8cm2和子器件工作点电流IE=25mA代入，得 根据式，集电极电容Cob经基区的充、放电时间常数为式中，集电极电容Cob 为集电结势垒电容CTC、基极延伸电极的MOS电容Cbc（

12、pad）和管壳电容之和。有源基区下方的集电区宽度为Wc=W外-xc-xje=8-2.2-0.51=5.29um，由于在热氧化过程中要消耗掉一部分硅，故取Wc=5um。已经确定子器件的基区（即集电极面积）为Ab=2660um。于是可求得子器件的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。管壳电容约为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总电容为从式可见，在集电极总电容的三个部分中，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

13、须千方百计地降低寄生参数。于是可求得当子器件工作点电流IE=25mA时bc为 大电流情况下，基区渡越时间为取DB=10cm2/s，并将已经确定的基区宽度WB=0.25um代入，可求得 =15.610-12s 根据式，基区渡越时间的修正量为 根据式集电极电容Cob经集电区的充、放电时间常数为式中，子器件的集电区体电阻为再利用前面得到的集电极电容Cob,即可求得为-12=4.310-12s最后一项时间常数是集电极电容Cob经发射极镇流电阻RE的充、放电时间常数，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

14、忽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若用分贝表示，则Kp（dB）=10dB。由此可见，fT与Kp均满足设计要求。3.最高震荡频率fM最后可以计算出本例设计的微波大功率晶体管的最高震荡频率fM为主要参考文献1 半导体器件物理孟庆巨,刘海波,孟庆辉编 科学出版社2 人江俊昭等,高频大功率晶体管,”高频大功率晶体管”翻译组译,81页3 BengaminJ.A., The Micowave Jour., Vol.16, No.10,P.10, 19734 AD827335,译文刊于“半导体情报”第3期，19页，19745 晶体管原理与设计 陈星弼 张庆中 编著 电子工业出版社6