双极型功率集成电路的应用与发展

双极型功率集成电路的应用与发展

1双极型功率机构的原理双极功率电路是一项非常重要的半输出电路，在人们和军事计算机中得到广泛广泛应用。典型的应用主要集中在通信、雷达和电子对抗等领域。大功率电子设备的性能和可靠性很大程度上取决于该类功率集成电路的性能及其可靠性,因此,功率集成电路的发展水平在某种意义上制约和决定着各类相关整机的发展水平。双极型功率集成电路区别于其他双极型小信号集成电路的最大特点是:首先,在大的耗散功率或者输出功率条件下工作,具有承受较高电流的能力;其次,由于具有功率密度高和器件面积大的特点,且运用在大的输入和输出信号下,可靠性问题尤为突出。上述特点决定了双极型功率集成电路中功率晶体管的设计必须满足以下要求:1)小热阻;2)小饱和压降或饱和电阻;3)大电流容量;4)一定的耐压;5)良好的可靠性。但双极型功率晶体管工作行为复杂,在低电压、小电流、低功耗工作时未曾显露和突出的矛盾,在高电压、大电流、高功耗时将逐渐反映出来,且随着电流的增大、功率的提高,矛盾将更加突出。双极型功率晶体管面临的潜在失效主要是在大电流工作情况下由双极晶体管发射结电流集边效应(基极电阻自偏压效应)引起的电流和温度分布不均,局部的大电流密度可能形成热电正反馈,形成热斑,严重时甚至发生热崩(即电流注入型二次击穿),导致晶体管烧毁;同时,Kirk效应引起的基区宽度增大导致晶体管的放大系数、频率和开关速度降低;Webster效应引起的基区电导增大导致晶体管的放大系数降低等,均已成为制约双极型功率集成电路性能和可靠性提高的关键因素。本文在分析双极功率器件和集成电路工作特点的基础上,介绍了有利于提高双极型功率集成电路性能和可靠性的器件结构及其版图设计方法,详细分析了其特点和功能,以达到提高双极型功率集成电路性能和可靠性的目的。2双极态祖母的功率特性2.1基极电阻自偏压效应双极型晶体管的基极电阻构成如图1所示,其中,扩展电阻是在发射区的正下方并与结面平行的电阻(两个2r′bb的并联),总的基极电阻rb=(2r′bb+RDB)‖(2r′bb+RDB)。当晶体管工作于放大状态时,由于IB是多子电流,从边缘流向发射极中央,电流在扩展电阻上的横向电压为V′bb=r′bbIB,使得晶体管发射结上不同区域的偏压VEB不同(从发射结边缘到中央不断减小)。由于发射极电流与发射结偏压之间有exp(qVBE/kT)的关系,所以,发射结偏压只要略有差异,发射极电流就会有很大的变化。当晶体管工作电流很大时,基极电流通过基极电阻产生的压降也很大,这使得发射极电流在发射结上分布极不均匀。实际上,发射极电流的分布是离基极接触处越近,电流越大;离基极接触处较远的地方,电流很快下降到很小的值。这个现象称为基极电阻自偏压效应,又称为发射结电流集边效应。为了避免发射结电流集边效应给大功率双极晶体管带来严重的可靠性问题,需要通过减小基极电阻、减小工作电流,以及将晶体管的发射极设计成梳状结构,以提高发射极周长/面积比,达到提高发射结有效宽度等方式,来降低发射结电流密度;同时,增大散热面积,减小热阻,达到提高功率晶体管可靠性的目的。2.2内建电场的影响当晶体管工作在大电流条件下时,注入基区的少子发生大注入。此时,基区中会形成一个内建电场,基区少子除扩散运动之外,还要在内建电场下进行漂移运动。这将导致发射结注入效率降低,从而使晶体管的放大系数显著降低。这个现象称为Webster效应,可通过提高基区掺杂浓度和降低注入水平(减小工作电流)减弱该效应。2.3中性基区对电流的影响当载流子以一定的速度和浓度越过势垒区时,载流子的电荷会对势垒区中的电场分布产生影响。当晶体管工作在大电流条件下时,中性基区会变宽,基区扩展使少子的基区渡越时间延长,导致晶体管的电流放大系数及工作频率降低。这个现象称为Kirk效应,可通过提高集电区掺杂浓度、减小集电区厚度,以及设定最大集电极电流IC减弱该效应。3双极功率晶体的热压工艺双极大功率晶体管的特性除了受材料和工艺制作水平的限制外,最重要的是受器件图形结构的影响。功率晶体管的很多电参数和热参数,如特征频率、功率增益、集电极最大工作电流、输出功率,均与晶体管图形结构密切相关。图形结构的设计水平直接决定功率晶体管的性能和可靠性。为了改善和提高器件的热、电性能,双极功率晶体管的结构己从早期单个的、具有较大集电结面积的形式转化为由多个相隔一定距离的小晶体管单元(基区)构成的多元胞结构。可以从以下两方面来提高散热特性,从而减小最高结温:1)拥有较多的子器件单元,从而增加基区(集电结)周长,相应减小热阻;2)各子器件单元间具有较大的间距,因此热流截面积相应增大,温度分布均匀性得以提高。这有利于减小芯片热阻,提高器件的热、电性能。目前,所有的双极功率晶体管均采用这种多元胞器件结构。同时,应当注意到,由于该结构中每个子器件单元仍然没有摆脱发射结面积与热流截面积相等的传统结构模式,故发射结电流集边效应也未能得到减弱或消除,因而每个子器件中心区域的散热能力仍然较差,温度也最高。引入恰当的梳状电极结构,可有效改善功率晶体管的热电特性。3.1晶圆级分布的镇流电阻如前所述,为了消除发射结电流集边效应对晶体管可靠性的影响,双极功率集成电路中的NPN功率晶体管的发射极通常设计成梳状,如图2所示。另一种防止热击穿与二次击穿、提高器件可靠性的措施是采用发射极镇流技术,如图3所示,引入发射极镇流电阻的梳状NPN管可等效为Q1～Q4的4个NPN管,且4个晶体管按图3的方式连接,其中R1～R3分别为晶体管的发射极镇流电阻。发射极镇流电阻根据不同的结构,可以分为扩散镇流电阻和多晶硅分布式发射极镇流电阻,分别如图4和图5所示。当晶体管局部区域由于电流分配不均而使流入某个小晶体管(即小发射极条)的电流比其他的大,即发生电流集中时,其串联的镇流电阻上电压降增大,而相应发射结上的正向电压减小,从而使该子器件的发射极注入电流(即通过这个小发射极的电流)自动减小,最终使总电流比较均匀地分布在每个小发射极条上,防止或改善了电流集中型二次击穿。由此可见,镇流电阻的负反馈作用可大大降低电流的正温度效应,在很大程度上抑制了电流与温度在局部区域的集中。传统的镇流技术是在各个小发射极条上串入阻值相等的均匀镇流电阻。然而,对于面积较大的大功率管,即使采用镇流电阻,由于管芯中心与边缘区域散热条件不同,温度仍容易集中在管芯的中部。经验表明,在烧毁的各类大功率晶体管中,烧毁部分一般都集中在管芯中部。对于梳状多发射极条结构,为实现晶体管的热稳定,通常采用非均匀镇流电阻使管芯温度均匀分布。设计经验公式为:R=(0.25～0.42)/IC。多晶硅分布式镇流利用多晶硅发射区上的多晶硅薄层电阻作镇流电阻,因而工艺简单。该方式使发射区各处均垂直镇流,因而相对于集中式的扩散电阻镇流方式,更容易实现电流的均匀性。但多晶硅电阻镇流也存在不利的一面,最主要是多晶硅电阻在器件使用温度范围内未能表现出良好的正温度效应。图6所示为多晶硅分布型发射极镇流电阻的工作原理。从图6可以看出,晶体管越靠近发射极接触孔的位置,发射极镇流电阻越小;同时,越靠近基极接触孔的位置,基极镇流电阻越小,故晶体管中位置A处发射极电压最低,基极电压亦最低;B处发射极电压最高,基极电压亦最高,故位置A与B处的VEB基本相等。因此,位置A与位置B处电流分布均匀。3.2非均匀双向镇流电阻由前面的分析可知,由于扩散镇流电阻制作在发射极条的根部,无法对整个发射区各处均镇流;而多晶硅电阻虽可实现各处均分布式垂直镇流,但多晶硅电阻在器件使用温度范围内未能表现出良好的正温度效应,镇流效果不够明显。为进一步提高镇流效果,可以利用扩散电阻具有正温度系数效应和非线性效应的特点,以及多晶硅镇流电阻较方便的垂直镇流效果,组成非均匀双向镇流电阻。非均匀双向镇流电阻结构同时兼顾了扩散电阻镇流和多晶硅电阻镇流的优点。由于发射结通过掺杂多晶硅的扩散形成,有利于浅结器件的形成;多晶硅发射极较高的电流增益使基区掺杂浓度可适当提高,从而有利于增大器件的线性电流和厄利电压,减小Kirk效应;较小的re可以实现在减弱或消除发射极电流集边效应的同时,不影响器件的功率增益。典型的非均匀双向镇流电阻功率晶体管版图设计如图7所示。该结构利用发射极金属条的不同长度,得到各个发射极条所需的相应分布式电阻阻值,使各发射极条具有相同的工作电流,消除了发射结电流集边效应的影响,其工作原理如图7所示。3.3发射条上的电压降当发射极条长度过长时,发射极条上的压降将不可忽略,从而给晶体管带来发射极电流分布不均匀的问题,如图8所示。发射条上的电压降由公式ΔVEB=LRSIE/2W确定。可以看出,增加发射极宽度W和缩短发射极的长度L,均可减小发射极的电压偏置效应。但增加宽度会增大基极电阻,降低开关速度,同时还会增大发射极电流集中效应。因此,在功率管的版图设计时,通常将晶体管的发射极设计成大量短而窄的指状结构,如图9所示。3.4功率晶体的主要工作模式及可靠性由于功率双极集成电路中不同用途的功率晶体管工作的模式和特征不同,可能遇到的可靠性问题也不同,因此,需要根据工作在不同模式下的功率晶体管的特征进行相应的版图设计。功率晶体管的主要工作模式及相应的可靠性问题有:1)线性模式,主要考虑热崩和电击穿,应限制晶体管的功率密度或电流密度;2)开关模式,由于平均功耗低,极少产生热斑及热崩,主要考虑开关器件的发射结电流集边效应,应限制晶体管工作电流,避免开关器件二次击穿引发的发射结电流集边效应;3)脉冲模式,通常不会发生发射结电流集边效应,不会形成热斑而发生热崩,但需限制晶体管电流密度及脉冲宽度与频率。3.4.1基极交叉深接触孔结构叉指形发射极结构晶体管版图设计如图10所示。该结构采用发射极镇流、基极交叉、短发射极和大接触孔技术,具有最高的工作速率,且由于发射极边界到中心距离较短,通常情况下无电流集中效应。3.4.2电流密度分布宽发射极窄接触孔结构晶体管版图如图11所示。该结构避免了发射极偏离,利用分布镇流、集电极交叉、基极交叉技术,比十字发射极结构具有更大的电流密度。由于该结构发射极电流在出口端集中度降低,抗热崩的能力大大增强。同时,需注意,该结构面积较大、基极电阻较大,速度比十字形发射极结构慢。3.4.3抗热击穿音功能圣诞树结构晶体管版图如图12所示。该结构运用发射极本身作为射极镇流,同时,利用分布式镇流和大发射极面积,抗热击穿能力强,能够很好地应用于线性工作状态和音频功率放大。需要注意的是,该结构发射极较大,易产生发射极电流集中。3.4.4抗二次击穿能力十字形发射极结构晶体管版图如图13所示。该结构利用三维分布式镇流和大发射极面积技术,抗二次击穿能力优于圣诞树结构,稍逊于宽发射极窄接触孔结构,效率较高,适用于限流型开关工作状态。3.5改进的回顾原理及改进方案设计除了上述主要的版图设计方式之外,还需要结合实际电路需要,注意版图设计细节,如镜向电流源由于寄生晶体管造成的输出电流扰动,需要通过增加箝位二极管或基极镇流电阻来减弱或消除。需要注意的是,镇流电阻应置于单独的阱内,避免产生新的寄生NPN管,如图14所示。在功率集成电路中,还可能出现由于寄生晶体管导致的衬底漏电增大使功率晶体管进入饱和区的情况。可通过适当的版图设计,引入新的寄生晶体管,从而消除原有寄生晶体管可能带来的可靠性问题。图15所示是一种典型的设计改进方案。由图15可以看出,在这种版图设计方式中,寄生PNP晶体管Q1由A、D、B组成;寄生PNP晶体管Q2由A、D、C组成,寄生PNP晶体管Q3由A、D、E组成,由于寄生PNP管Q1和Q2的存在,Q3的漏电流显著减小,从而减小了衬底漏电流,避免晶体管进入饱和状态。3.6极镇流、基极交叉技术图16和图17所示分别为两款具有典型代表性的DC-DC电源管理芯片功率输出BJT的版图设计方案。它们均采用分布式镇流、发射极镇流、基极交叉技术与发射极交叉技术,实现了功率晶体管的最佳性能和高可靠性。由图17可以看出,该芯片功率输出晶体管各个分支晶体管发射极电压高的部分,基极电压也相应高;沿着电流方向,由于基极电阻和发射极电阻的作用,发射极电压和基极电压均相应降低,使各晶体管的V