晶体管设计胡

晶体管设计胡第1页/共26页一、引言第2页/共26页第3页/共26页二、晶体管设计（一）晶体管特性概述进行晶体管设计，是对晶体管基本理论的一次综合运用过程，是理论结合实践的一个重要部分。但前面所学的基本理论只能反映晶体管内部的基本规律，而且这些规律性往往是在忽略很多次要因素的情况下得到的，特别对工艺因素的影响基本上没有考虑进去。因此，设计过程中必须注意引入从生产实践中总结出的经验数据。同时要边设计，边试制，经过多次反复，将存在的主要问题反映出来，然后再进行综合分析和调整，最后提出比较切实可行的设计方案。第4页/共26页（二）各个物理、几何参数对器件特性的影响

双极晶体管的主要电学参数可分为直流参数、交流参数和极限参数三大类。

1、直流参数（1）共射电流放大系数β：主要与Wb、NB（基区平均杂质浓度）、NE（发射区平均杂质浓度）有关；（2）反向饱和电流ICBO、ICEO、IEBO：主要由寿命τ，空间电荷区宽度xm（N）决定；（3）饱和压降VCES：主要与rb（Wb、NB）和rCS（NC、WC、AC）有关；（4）输入正向压降VBES：主要与rb（Wb、NB、）有关。第5页/共26页2．交流参数（1）特征频率fT：由传输延迟时间τeC决定，τe

（Ae、NE）、τb（Wb、NB）、τc（Ac、NC）和τd（NC）；（2）功率增益GP：主要由fT、Cc（AC、Apad）和rb（Wb、NB）决定；（3）开关时间ton和toff：主要与Ae、AC、基区和集电区少子寿命τ和集电区厚度WC有关；（4）噪声系数NF：NF主要由rb和fT决定。第6页/共26页3．极限参数（1）击穿电压BVCEO、BVCBO、BVEBO：BVCBO主要由NC、WC和xjC决定，BVEBO主要由发射结侧壁基区表面浓度决定；（2）集电极最大电流Icm：与发射极总周长LE、集电区杂质浓度NC有关；（3）最大耗散功率Pcm：主要与热阻RT（基区面积Ab、芯片厚度t）有关；（4）二次击穿耐量ESB：主要与NC、WC和镇流电阻RE有关。

晶体管的各电学参量之间是相互有关的，而且电学参数随结构参数的变化关系也相当复杂，甚至出现相互矛盾。

第7页/共26页（三）晶体管设计的基本原则

尽管双极晶体管的电学参数很多，但对于一种类型的晶体管，其主要电学参数却只有几个。如对于高频大功率管，主要的电学参数是GP、fT、BVCBO、Pcm和Icm等；而高速开关管的主要电学参数则是ton、toff、VCES和VBES。

1．必须权衡各电学参数间的关系，正确处理各参数间的矛盾。此外要找出器件的主要电学参数，根据主要电学参数指标进行设计，然后再根据生产实践中取得的经验进行适当调整，以满足其它电学参数的要求。第8页/共26页2．任何一个好的设计方案都比须通过合适的工艺才能实现。因此，在设计中必须正确处理设计指标和工艺条件之间的矛盾。设计前必须了解工艺水平和设备精度，结合工艺水平进行合理设计。

3．正确处理技术指标和经济指标间的关系。设计中既要考虑先进的技术指标，也要考虑经济效益。否则，过高的追求先进的技术指标，将是成本过高。同时，在满足设计指标的前提下，尽可能降低参数指标，便于降低对工艺的要求，提高产品成品率。

4．在进行产品设计时，一定要考虑器件的稳定性和可靠性。第9页/共26页（四）设计步骤和设计内容

1．设计步骤：（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。例如：若用户要求晶体管在频率f=400MHz，电源电压Vcc=28V，转换效率η=40%时，具有5W的功率输出。用户需要的晶体管属于高频大功率管，主要电学参数为GP、fT、BVCBO、Pcm、Icm等。确定了主要电学参数后，设计者的首要任务是确定设计指标。如按P0和η即可确定耗散功率Pcm＝P0/η=12.5W，由使用频率选取fT

＝1.5f=600MHz等。这样，可将主要电学参数依次确定下来。第10页/共26页

（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量试制，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。第11页/共26页2．主要设计内容包括：（1）根据主要参数的设计指标确定器件的纵向结构，如集电区厚度Wc，基区宽度Wb和扩散结深xj等（2）根据设计指标确定器件的图形结构，设计器件的图形尺寸，绘制光刻版图。（3）选取材料，确定材料参数，如电阻率、位错、寿命、晶向等，并制定实施工艺方案。（4）进行热学设计，选取封装形式，选用合适的管壳和散热方式。第12页/共26页（五）晶体管设计举例1．设计指标：工作频率f为400MHz，输出功率P0为40W，工作电压VCC为28V，效率η为40％，功率增益GP为5dB。

2．总体设计：因为器件的功率大，频率高，发射极条细，且条数很多，不可能将全部发射极条放在同一个基区内，因此要将器件分割成几个子器件，最后在管壳内进行功率合成。本例分成4个管芯。第13页/共26页3．纵向结构设计：（1）集电区杂质浓度：在甲类工作状态下，BVCEO＝2VCC＝56V，将BVCEO代入下式取β＝25，n=4，可得BVCBO＝126V，NC＝4×1015cm-3，因而选取PC＝1－1.2Ω.cm。由于在浅结器件中击穿首先发生在结面弯曲的电场集中处，考虑曲率半径的影响后，实际击穿电压BVCBO只能达到70－80V。第14页/共26页（2）集电区厚度：将BVCBO＝80V代入下式

算得WC≥5.1μm。从提高二次击穿耐量出发，将代入下式可得WC≥7μm。为了不增加串联电阻又能提高二次击穿耐量，采用双层外延工艺。首先生长一层杂质浓度高于NC，厚度大于3μm的过渡层，再生长NC≤4×1015cm-3，厚度为5－6μm的Si层以满足击穿电压要求。第15页/共26页

（3）基区宽度：为了满足器件工作频率要求，选取fT/f＝1.5，由此得fT＝600MHz。此时，对特征频率影响最大的仍然是基区渡越时间，设基区平均杂质浓度NB＝2×1017cm-3，代入下式

得，Wb≤0.76μm。由于器件工作电压较低，集电结空间电荷区扩展入基区的宽度很窄，基区宽度的下限由基区陷落效应决定。所以基区宽度的取值范围0.5μm<Wb<0.76μm，兼顾器件的频率特性和成品率，选取Wb＝0.7μm。第16页/共26页

（4）扩散结深根据，，可选取xje=Wb=0.7μm，xjc=2Wb=1.4μm。第17页/共26页4．横向设计：

（1）发射极总周长：发射极总周长由下式决定式中集电极的最大电流Icm由输出功率P0和电源电压VCC决定。在甲类工作状态下，晶体管的最大输出功率因此管芯的最大电流Icm＝1.5A。线发射电流可按下式计算，也可按经验选取第18页/共26页

下面是常用的一组经验数据

I0＝0.8-1.6A/cm（f=20-400MHz）；I0＝0.4-0.8A/cm（f=400MHz-2GHz）；I0＝1.6-4A/cm（开关晶体管）。对于外延平面晶体管，当基区宽度较窄时，集电极最大电流由基区扩展效应临界电流密度Jcr决定，

则，I0＝0.63A/cm。该机算值正好在经验取值的范围内。可得发射极总周长为2.38cm。第19页/共26页

（2）单元图形尺寸：发射极有效条宽：为了提高成品率，可se选宽一点。按经验数据，当fT=400MHz-600MHz时，se可选6－12μm。本例按光刻精度h＝3μm进行选取，取发射极引线宽度为6μm，则发射极条宽se＝12μm。第20页/共26页

（3）单元发射极条长：若浓基区条宽按最小尺寸选取，则sb＝6μm。可得有效条长

实际取le=76μm<leff。也正好在经验取值（4－8）se范围内。第21页/共26页

（4）发射极条数：取n＝160。（5）发射极引线孔尺寸：引线孔按光刻精度选取为6μm，且为了制版和光刻容易对准，长度方向的套刻间距取9μm，因而发射极引线孔的尺寸为58×6μm2。第22页/共26页5．镇流电阻6．主要电学参数验算7．光刻版制作8．制造第23页/共26页作业与考核要求1、每30人一组（按学号排列），每组一个题目；2、设计报告：手写（不少于10页）；3、按学号前后，两人一组交报告，设计报告每人一份。4、报告包含