晶體管設(shè)計(jì)分析

1、1. 課程設(shè)計(jì)目的與任務(wù)22. 設(shè)計(jì)的內(nèi)容23. 設(shè)計(jì)的要求與數(shù)據(jù)24. NPN管圖形結(jié)構(gòu)的選擇35. 確定縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)3(1) 各區(qū)摻雜濃度及集電極外延材料電阻率的選取3(2) 各區(qū)少于遷移率、擴(kuò)散長(zhǎng)度的計(jì)算4(3) 集電區(qū)厚度Wc的選擇6(4) 基區(qū)寬度的選取7(5) 發(fā)射極和集電極結(jié)深的選取86. 橫向尺寸的選擇8(1) 單元發(fā)射極寬度、長(zhǎng)度和個(gè)數(shù)的選取8(2) 發(fā)射區(qū)和基區(qū)面積的選取97. 參數(shù)驗(yàn)證108. 工藝版圖119晶體管課設(shè)心得體會(huì)123NPN雙極型晶體管的設(shè)計(jì)1、課程設(shè)計(jì)目的與任務(wù)電子器件課程設(shè)計(jì)是繼微電子器件基礎(chǔ)、微電子工藝和半導(dǎo) 體物理理論課之后開(kāi)出的有關(guān)微電子器件和工藝

2、知識(shí)的綜合應(yīng)用的課程，使我 們系統(tǒng)的掌握半導(dǎo)體器件，集成電路，半導(dǎo)體材料及工藝的有關(guān)知識(shí)的必不可少 的重要環(huán)節(jié)。u的是使我們?cè)谑煜ぞw管基本理論和制造工藝的基礎(chǔ)上，掌握晶體管的設(shè) 計(jì)方法。要求我們根據(jù)（1）分析設(shè)計(jì)指標(biāo)，確定主要參數(shù)；（2）選擇合適工藝, 確定工藝水平；（3）根據(jù)參數(shù)要求和工藝水平計(jì)算管芯縱、橫向結(jié)構(gòu)參數(shù)；（4） 主要參數(shù)驗(yàn)算或器件、工藝模擬；（5）畫(huà)出器件版圖等設(shè)訃過(guò)程的訓(xùn)練，為從 事微電子器件設(shè)計(jì)、集成電路設(shè)計(jì)打下必要的基礎(chǔ)。2、設(shè)計(jì)的內(nèi)容設(shè)計(jì)一個(gè)均勻摻雜的pnp型雙極晶體管，使T二300K時(shí)，hre/Ic=500/2mA, BVcbo二30V.晶體管工作于小注入條件下，最

3、大集電極電流為Ic二100mA,集電極耗 散功率Pc=300mWo特征頻率f：二300MHz。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)的 影響。3、設(shè)計(jì)的要求與數(shù)據(jù)（1）了解晶體管設(shè)計(jì)的一般步驟和設(shè)計(jì)原則。（2）根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)材料參數(shù)，包括發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)摻雜濃度焉XB, 和E根據(jù)各區(qū)的摻雜濃度確定少子的擴(kuò)散系數(shù)，遷移率，擴(kuò)散長(zhǎng)度和壽命 等。（3）根據(jù)主要參數(shù)的設(shè)計(jì)指標(biāo)確定器件的縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括集電區(qū)厚度Wc, 基本寬度Wb,發(fā)射區(qū)寬度We和擴(kuò)散結(jié)深X：c,發(fā)射結(jié)結(jié)深X%等。（4）根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)確定器件的圖形結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)器件的圖形尺寸，繪制出基區(qū)、 發(fā)射區(qū)的光刻版圖。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該著力解決以下

4、兩對(duì)矛盾：一是高頻率和大功率的矛盾， 二是設(shè)計(jì)指標(biāo)與加工難度的矛盾。對(duì)于前者，在晶體管處于大注入工作狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生集電極電流集邊效應(yīng)、 基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)和基區(qū)寬變效應(yīng)等，以上效應(yīng)會(huì)對(duì)基區(qū)渡越時(shí)間tB進(jìn)而對(duì)特 征頻率fT產(chǎn)生影響；對(duì)基區(qū)電阻rb、有效基區(qū)寬度Wb、集電極電容等等均會(huì)有 所改變；此外，設(shè)計(jì)指標(biāo)中，為了使功率晶體管既能達(dá)到比較高的設(shè)計(jì)使用指標(biāo)要求, 同時(shí)乂要考慮到加匸難度不能過(guò)高，要符合LI前的加工工藝水平，這就要求對(duì)各 方面要求要綜合考慮，找到最優(yōu)方案。4、NPN管圖形結(jié)構(gòu)的選擇NPN管的圖形結(jié)構(gòu)如下：5、確定縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)主要是指結(jié)深、基區(qū)寬度、外延材料的電阻率和厚度以

5、及各區(qū) 中雜質(zhì)濃度，下面分別進(jìn)行估算。（1）各區(qū)摻雜濃度及集電極外延材料電阻率的選取擊穿電壓主要由集電區(qū)電阻率決定。因此，集電區(qū)電阻率的最小值山擊穿電 壓決定，在滿足擊穿電壓要求的前提下，盡量降低電阻率，并適當(dāng)調(diào)整其他參量, 以滿足其他電學(xué)參數(shù)的要求。對(duì)于擊穿電壓較高的器件，在接近雪崩擊穿時(shí)，集電結(jié)空間電荷區(qū)已擴(kuò)展至 均勻摻雜的外延層。因此，當(dāng)集電結(jié)上的偏置電壓接近擊穿電壓v時(shí)，集電結(jié)可 用突變結(jié)近似，對(duì)于Si器件擊穿電壓為匕=6x10鞏川肚）冷，由此可得集電區(qū) 雜質(zhì)濃度為：聖）二（3 /%。"1 + 0%山設(shè)計(jì)的要求可知C-B結(jié)的擊穿電圧為：BVCBO二30V 根據(jù)公式，可算岀集電

6、區(qū)雜質(zhì)濃度：6x10叮6x10”< BVcbo >、30丿Nc =3 =2.52xl0,6cm一般的晶體管各區(qū)的濃度要滿足NE»NB>NC,根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)可取:心=0NC9Ne =100 TV”即各區(qū)的雜質(zhì)濃度為:Nc = 2.52 x 10 叫嚴(yán) 心=2.52 x 10 化嚴(yán) 仇=2.52 x 10叫嚴(yán)根據(jù)圖1可知，相應(yīng)的材料電阻率在pc 03 Q cm(ulygd00門(mén) 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)圖1對(duì)于硅材料，最高結(jié)溫Tjm為T(mén)jm = 6400/ (10. 45+lnPc)式中一為外延材料的電阻率。由式可見(jiàn)，當(dāng)外延集電區(qū)電阻率P X 5cm - Q 時(shí)，Tja>200°Co考慮到降低最高結(jié)溫有利于晶體管的可幕性和穩(wěn)定性，故選取 T,f175°C,同時(shí)選取環(huán)境溫度T尸25°C。由此得到的晶體管熱阻為RT = (Tj m-Ta)/ Pc m= 200 °C/W(2)各區(qū)少于遷移率、擴(kuò)散長(zhǎng)度的計(jì)算根據(jù)圖2,得到少子遷移率：11Pc = “卩=450c, IV s 曲=h = 550cm2/V s Pe = "“ =

8、150cvn2 IV sa fr二 if*2 (S A希Eydd它應(yīng)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巧圖2室溫下載流子遷移率與摻雜濃度的函數(shù)關(guān)系»u ?<>. Vv4<l> <>4*4*n»» .根據(jù)公式可得少子的擴(kuò)散系數(shù):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 數(shù)叔 流 子電了的右命和 擴(kuò)Ftt氐皮 號(hào)抄雜 濃攻:旳九系io”io-IO*3IO*1O,510to0 10-心9lO伍牌冰度浴"5

10、, >g«盂樂(lè)2 ? ""O 111B*3 5-22 n ® Si中少數(shù)載流于空穴的奇飾利擴(kuò)阪坦皮月攤雜濃度的關(guān)系圖3少子壽命與摻雜濃度的函數(shù)關(guān)系根據(jù)圖3,可得到各區(qū)的少子壽命、s和珥rc =1x105rH =1.2x10”$te =1x10"s5為了方便得到較合理的基區(qū)準(zhǔn)中性寬度，所以這里的少子壽命取值為T(mén)c = 1x105th = 1.2x105r£ = 1 x 10s5根據(jù)公式得岀少子的擴(kuò)散長(zhǎng)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)集電區(qū)厚度Wc的選擇根據(jù)公式求岀集電區(qū)厚度的最小值為:丄2強(qiáng)B%下 _2x8.85x1 O'14 xll.8x30a 1.25 X 1cm = 125 pmqNcWc的最大值受吊聯(lián)電阻匚的限制。增大集電區(qū)厚度會(huì)使吊聯(lián)電阻匚增加,J 1.6x10-,9x2.52x1016飽和壓降Vchs增大，因此的最大值受吊聯(lián)電阻限制。綜合考慮這兩方面的因素，故選擇We=6um(4)基區(qū)寬度的選取基區(qū)寬度的最大值對(duì)于低頻管，與基區(qū)寬度有關(guān)的主要電學(xué)參數(shù)是，因此低頻器件的基

12、區(qū)寬1 w2度最大值由 確定。當(dāng)發(fā)射效率時(shí)，電流放大系數(shù)- =因此基區(qū)0 心寬度的最大值可按下式估計(jì)：警卡r為了使器件進(jìn)入大電流狀態(tài)時(shí)，電流放大系數(shù)仍能滿足要求，因而設(shè)計(jì)過(guò)程中取根據(jù)公式，求得低頻管的基區(qū)寬度的最大值為:4x（4.14xlO）37xio,4c7n =500山公式可看出，電流放大系數(shù)0要求愈高，則基區(qū)寬度愈窄。為提高二次擊 穿耐量，在滿足0要求的前提下，可以將基區(qū)寬度選的寬一些，使電流在傳輸過(guò) 程中逐漸分散開(kāi)，以提高二次擊穿耐性?；鶇^(qū)寬度的最小值為了保證器件正常工作，在正常工作電壓下基區(qū)絕對(duì)不能穿通。因此，對(duì)于高耐壓器件，基區(qū)寬度的最小值山基區(qū)穿通電壓決定，此處8匕的=30V,對(duì)

13、于均勻基區(qū)晶體管，當(dāng)集電結(jié)電壓接近雪崩擊穿時(shí)，基區(qū)一側(cè)的耗盡層寬度為：X2 葉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在高頻器件中，基區(qū)寬度的最小值往往還受工藝的限制。則由上述計(jì)算可知基區(qū)的范用為：012如3.711 這里基區(qū)寬度取1.7umo（5）發(fā)射極和集電極結(jié)深的選取由于采用磷硼擴(kuò)散工藝，在基區(qū)寬度取為1.7pm情況下，必須考慮基區(qū)下陷 效應(yīng)的影

14、響。如果令皿",并假定基區(qū)下陷深度W扛基區(qū)寬 度為 因已經(jīng)選取叱，二1.7pm , X= Wh = 1.7 jxm,集電極結(jié)深二/0.5二 34ym。6、橫向尺寸的選擇:管芯的幾何圖形選定以后，就可以根據(jù)參數(shù)指示的要求，初步確定光刻版上 各個(gè)尺寸的大小，其中主要參數(shù)有：發(fā)射區(qū)面積以及濃基區(qū)網(wǎng)格與發(fā)射結(jié)邊沿的 間距等。下面逐個(gè)進(jìn)行討論。（I）單元發(fā)射極寬度、長(zhǎng)度和個(gè)數(shù)的選取首先要確定集電極最大電流值幾。根據(jù)心=2.52x10%”嚴(yán)，得到相應(yīng)的Dab, Wb,得到發(fā)射極臨界電流密度為（由于有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)）再求集電極臨界電流密度2£$£o|cc|Nc = 3.4X10

15、4 A/cm2（由于荃區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)）比較上述兩個(gè)臨界電流值,則集電板最大電流密度值應(yīng)選為Js二 9.6X1 （Wen?不計(jì)集電板電流通過(guò)基區(qū)時(shí)所產(chǎn)生的橫向擴(kuò)散，那么所需要的發(fā)射板有效面=0.1 X IO"4 cm由電流集邊效應(yīng)決定的發(fā)射極有效半寬度：17 伙廠=2xl0-4cm（工作頻率設(shè)定在 180MHz）'L jj 式中瓦為基區(qū)平均電導(dǎo)率，云=0伽瓦，兀相對(duì)應(yīng)的少數(shù)載流于遷移率 經(jīng)上文査得。所以，設(shè)計(jì)晶體管的發(fā)射極條有效寬度為2 Scffo發(fā)射極總周長(zhǎng)LJ乍如下估計(jì)：=0.05cmS叨這里所選的線電流密度心=牛=2A/cm如有n個(gè)發(fā)射板單元，金屬薄層電阻ROm,電極寬S

16、m,貝I：KTq工程實(shí)際一般取：leff a（4S）Se這里取匚=4S.則發(fā)射區(qū)小單元數(shù):20S”0.0520x2x107=12（2）發(fā)射區(qū)和基區(qū)面積的選取發(fā)射區(qū)小單元周長(zhǎng)為：-A罟Tg又知發(fā)射極有效寬度為:Sf = 2Scff = 4帥故發(fā)射極長(zhǎng)度為：/f = 16.8/z/h因此,可得發(fā)射區(qū)面積血=仃=672如2基區(qū)面積可取 心=8x25 = 200/z27、參數(shù)驗(yàn)證與陀結(jié)二極管的分析類似，在平衡和標(biāo)準(zhǔn)工作條件下，BJT可以看成是由 兩個(gè)獨(dú)立的陀結(jié)構(gòu)成.具體來(lái)說(shuō)，由于 3>心,所以E-B耗盡區(qū)寬度（臨） 可近視看作全部位于基區(qū)內(nèi)，乂III > Nc ,得到大多數(shù)C-B耗盡區(qū)寬度

17、（I怙） 位于集電區(qū)內(nèi)。因?yàn)镃-B結(jié)輕摻朵一側(cè)的摻雜濃度比E-B結(jié)輕摻雜一側(cè)的濃度低, 所以另外注意到是基區(qū)寬度，用是基區(qū)中準(zhǔn)中性基區(qū)寬度；也 就是說(shuō)，對(duì)于晶體管，有：叫=W + x問(wèn)+X心其中©EB和X”CB分別是位于N型區(qū)內(nèi)的E-B和C-B耗盡區(qū)寬度，在BJT分析 中W指的就是準(zhǔn)中性基區(qū)寬度。E-B結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)為:(1O10)2伽=竺山淬=0.026xin 2.52xEx2：52xa = 1 q 町C-B結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)為:怙=耳比嚳 “026汕竺渾竽泄826Vq 陣(1O10)2根據(jù)公式,E-B結(jié)在基區(qū)一邊的耗盡層寬度兀冋為:/ Ne » Nb ,可以當(dāng)成單邊突變結(jié)處理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嚴(yán)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如對(duì)于準(zhǔn)中性基區(qū)寬度叭 取基區(qū)寬度V匕=17“”，則W = % - 乂問(wèn) 一 X直R =1.6 -0.228 一 0.0197 = 1.45 fjm驗(yàn)證其取值的準(zhǔn)確性，根據(jù)公式有:似一化如里+丄（蘭丫Dr Ne Le 2Lb ）11.2x10"3.92.52xlO171.2xl0-411.97x102 (4.14x10XXr + -X14.3 2.52xl019。494解得的B接近于設(shè)計(jì)的要求，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，所以基區(qū)寬度為I匕=17“,滿足條件1匕v37“O8、工藝版圖基區(qū)#發(fā)射區(qū)一定位孔器件總圖:走位孔全屋孔9 晶體管課設(shè)心得體會(huì)雖然我們已經(jīng)學(xué)過(guò)半導(dǎo)體器件的基本專業(yè)課，但是在著手設(shè)計(jì)時(shí)其所帶來(lái)的 困難卻是相當(dāng)大的，因?yàn)樵O(shè)計(jì)過(guò)程中需要書(shū)寫(xiě)大量的