半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

1、北京工業(yè)大學(xué)半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)課程報(bào)告題目：微波低噪聲晶體管設(shè)計(jì)院系：信息學(xué)部專業(yè)班級：150273第2組成績成績成績學(xué)生1：譚祖雄學(xué)生學(xué)號：15371201學(xué)生2：于書偉學(xué)生學(xué)號：15027321學(xué)生3：張亮學(xué)生學(xué)號：15027324指導(dǎo)教師：武利起止時(shí)間：201805201806半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)課程報(bào)告 目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 摘要3 HYPERLINK l bookmark8 緒論4 HYPERLINK l bookmark10 引言4 HYPERLINK l bookmark12 歷史及發(fā)展趨勢4 HYPERLINK l boo

2、kmark14 本文研究的主要內(nèi)容5 HYPERLINK l bookmark2 設(shè)計(jì)方案6 HYPERLINK l bookmark16 設(shè)計(jì)指標(biāo)6 HYPERLINK l bookmark20 設(shè)計(jì)原則6 HYPERLINK l bookmark24 縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取7橫向結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取12 HYPERLINK l bookmark40 梳狀結(jié)構(gòu)版圖繪制14單元橫向參數(shù)14 HYPERLINK l bookmark42 管芯單元版圖示意圖14版圖繪制軟件L-Edit14 HYPERLINK l bookmark44 版圖設(shè)計(jì)15L-Edit中工藝的模擬19 HYPERLINK l boo

3、kmark46 管殼設(shè)計(jì)23 HYPERLINK l bookmark48 主要參數(shù)的驗(yàn)算24 HYPERLINK l bookmark50 特征頻率的計(jì)算24噪聲系數(shù)Nf25 HYPERLINK l bookmark54 功率增益Kp26 HYPERLINK l bookmark58 測試實(shí)驗(yàn)28 HYPERLINK l bookmark60 晶體管特性電參數(shù)的測量28 HYPERLINK l bookmark70 晶體管開關(guān)參數(shù)的測量29 HYPERLINK l bookmark74 晶體管高頻參數(shù)的測量34 HYPERLINK l bookmark80 考試內(nèi)容40 HYPERLINK

4、l bookmark82 橫向參數(shù)40 HYPERLINK l bookmark90 繪制覆蓋式晶體管光刻版圖40 HYPERLINK l bookmark92 書中錯(cuò)誤41 HYPERLINK l bookmark100 總結(jié)42 HYPERLINK l bookmark134 參考文獻(xiàn)451摘要微波低噪聲晶體管是通信系統(tǒng)接收端的關(guān)鍵電子器件，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信、衛(wèi)星、導(dǎo)彈等領(lǐng)域內(nèi)，對經(jīng)濟(jì)和軍事領(lǐng)域的發(fā)展都有極其重要的意義。同時(shí)，其在接收系統(tǒng)中能降低系統(tǒng)的噪聲和接收機(jī)靈敏度，是接收系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。本實(shí)驗(yàn)按照低噪聲放大器電路的設(shè)計(jì)要求，完成了1GHz射頻低噪聲放大器的芯片設(shè)計(jì)，并通過L-Ed

5、it軟件完成了版圖的繪制、工藝流程的仿真以及對其進(jìn)行優(yōu)化。最終表明，采用本方案設(shè)計(jì)的LNA增益約為15.3dB，噪聲系數(shù)約為2.4dB,性能穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：微波；低噪聲；緩沖基區(qū)；梳狀結(jié)構(gòu)；噪聲系數(shù)AbstractThelow-noisymicrowavetransistoristhepivotaldeviceofthesinkofcommunicationsystems.Itiswidelyappliedtoradar,communications,satellite,missilery,etc.Also,itisveryimportancetothedevelopmentbot

6、hofeconomyandmilitary.Inthemeantime,itwouldreducethenoiseandreceiversensitivityinthereceivingsystem,andhowever,isalsothekeycomponentofthereceivingsystem.Inthispaper,inaccordancewiththedesignrequirementsoflow-noiseamplifiercircuitthefront-endRFbasestation1GHzlownoiseamplifierchipdesigniscompleted,and

7、usetheL-Editsoftwaretoaccomplishthelayoutdrawing,processflowsimulationandoptimizedit.Theexperimentresultsshowthat,designedaccordingtothisscheme,thelow-noiseamplifier(LNA)gainisabout15.3dB,noisecoefficientabout2.4dB,andtheperformancequitestable,fullymeetingtherequirements.Keywords:microwave,LNA,buffe

8、rbase,combstructure,noisecoefficient2緒論2.1引言射頻前端低噪聲放大器(Low-noiseAmplifier,LNA)電路是無線電設(shè)備前端電路設(shè)計(jì)中的重要組成部分。在實(shí)際的接收機(jī)接收信號時(shí)，信號的強(qiáng)度往往很低同時(shí)夾雜著各種噪聲，因此其射頻前端電路中必須考慮采用LNA。LNA在滿足高增益的同時(shí)需要降低噪聲，但是增益的大小受到后面混頻器的影響。因此,對系統(tǒng)的接收靈敏度提出了更高的要求。系統(tǒng)接收靈敏度可用下式進(jìn)行描述:SSmindB一174dB+叫dB+10lgBW+NdB#2-1由上式可見，在各種特定(帶寬、解調(diào)S/N已定)的無線通訊系統(tǒng)中，能有效提高靈敏度的

9、關(guān)鍵因素就是降低接收機(jī)的噪聲系數(shù)N,而決定接收機(jī)的噪聲系數(shù)的F關(guān)鍵部件就是處于接收機(jī)最前端的低噪聲放大器。低噪聲放大器的主要作用是放大天線從空中接收到的微弱信號，降低噪聲干擾，以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)，所以低噪聲放大器的性能優(yōu)劣對整個(gè)通信接收機(jī)來說是至關(guān)重要的3-4。2.2歷史及發(fā)展趨勢微波低噪聲放大器可以用不同的器件來實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)如今主要存在量子放大器，參量低噪聲放大器和晶體管放大器。另外行波低噪聲放大器5，隧道二極管低噪聲放大器5-6、雪崩二極管低噪聲放大器7和耿氏二極管低噪聲放大器8也有應(yīng)用高溫超導(dǎo)低噪聲放大器9也是當(dāng)前的熱點(diǎn)。自從1947年貝爾實(shí)驗(yàn)室的WilliamShockley、J

10、ohnBardeen和WalterBrattain成功制成第一個(gè)點(diǎn)接觸型晶體管以及1952年開發(fā)出雙極晶體管(BipolarJunctionTransistor,BJT)開始，晶體管放大器便以極快的速度發(fā)展。不但性能越來越好，而且種類繁多，呈現(xiàn)百花齊放的情況，如今晶體管已經(jīng)是現(xiàn)代微波系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。異質(zhì)結(jié)晶體管(HeterojunctionBipolarTransistor,HBT)是在20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體材料12，在80年代末獲得了突破性進(jìn)展，表現(xiàn)出良好的高頻性能，其研究領(lǐng)域也越來越廣泛，因而逐漸受到人們的重視。與硅雙極結(jié)晶體管相比異質(zhì)結(jié)晶體管速度更快，噪聲更低，功耗更小，

11、是微波功率所必需的器件。微波/毫米波因具有波長短、波束窄、頻帶寬、穿透能力強(qiáng)等一系列特點(diǎn)，從而使其器件和電路處在當(dāng)今微電子技術(shù)的重要發(fā)展前沿。微波/毫米波器件及其電路的地位日漸提高，以致使它成為突破或制約尖端技術(shù)的關(guān)鍵，已引起美國、日本、西歐等國家的極大關(guān)注。早在1990年美國就把微波半導(dǎo)體功率器件及其電路列為國家發(fā)展戰(zhàn)略的核心技術(shù)，投入大量的人力、物力、財(cái)力制定計(jì)劃并組織實(shí)施，微波/毫米波器件及其電路的應(yīng)用領(lǐng)域，大量集中在雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等方面。微波一般是指300MHz3000GHz，表2-1為波段的劃分10本文設(shè)計(jì)的晶體管工作頻率為1GHz，屬于微波波段。表2-1波段的劃分波段名稱波長范

12、圍頻率范圍頻段名稱超長波10010km330kHz甚低頻（VLF）長波101km3003000kHz低頻（LF）中波1000200m0.31.5MHz中頻（MF）短波2010m1.530MHz高頻（HF）超短波101m30300MHz甚高頻（VHF）分米波10010cm0.33GHz特高頻（UHF）厘米波101cm330GHz超高頻（SHF）微波毫米波101mm30300GHz極高頻（EHF）亞毫米波10.1mm3003000GHz超級高頻（SEHF）本文研究的主要內(nèi)容不同的電子設(shè)備和電子線路對晶體管的功能都有不同的要求。除了對直流特性都有一定的要求外，在其他特性方面，則往往只對其中的某幾種特

13、性有要求。從晶體管的發(fā)展趨勢來看，總是向著提高工作頻率、增大輸出功率、降低噪聲、提高開關(guān)速度、提高可靠性和降低成本等方面發(fā)展。從設(shè)計(jì)的角度看，各種特性之間存在著許多相互制約的矛盾。晶體管的設(shè)計(jì)就是要很好的處理這些矛盾，將所要求的幾種特性在一個(gè)晶體管中得以實(shí)現(xiàn)。具體來說，就是在理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工藝條件進(jìn)行全面的分析考慮，從中找出折中的方案。要指出的是，對于一個(gè)晶體管的設(shè)計(jì)不可能做到面面俱到，十全十美，而是必須要有所側(cè)重，突出滿足一些主要特性，犧牲一些次要特性。同時(shí)還要注意盡量采用工藝制造難度小的設(shè)計(jì)方案，以提高成品率，降低制造成本。微波低噪聲晶體管在目前仍有一定的市場，其主要參數(shù)指標(biāo)為高的

14、頻率特性和低噪聲系數(shù)，然而功率、頻率與低噪聲之間的矛盾自始至終都一直存在，如何在保證一個(gè)參量一定的工作指標(biāo)下，盡量提高另一個(gè)參量的工作指標(biāo)，這一直是器件設(shè)計(jì)者必須要考慮的問題。本文將按照設(shè)計(jì)工作指標(biāo)完成一個(gè)微波低噪聲晶體管的初步設(shè)計(jì)。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)為：工作頻率/=1GHz，最大耗散功率PCM=50mW，最大工作電流/=10mA，電源電壓U=10V，噪聲系數(shù)N15dB。3設(shè)計(jì)方案3.1設(shè)計(jì)指標(biāo)根據(jù)緒論部分所述，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)如下f=1GHzPCM=50mWICM=10曲%=5VN15dB3.2設(shè)計(jì)原則3-1晶體管的高頻優(yōu)值和噪聲系數(shù)通常是微波晶體管設(shè)計(jì)的主要理論基礎(chǔ)。根據(jù)，K=工#p8nf

15、2rCbc可以推得下式，Kpf28nr1Cb3-2抵“的乘積必須用分布參量bC對于微波晶體管，公式（3-2）必須加以修正11，表示?；鶚O電阻rb和集電極電容Cr的各個(gè)分量如圖3-1所示。其中各部分的優(yōu)化,bC如宋南辛的晶體管原理137.5.4部分所示。圖3-1梳狀結(jié)構(gòu)微波晶體管示意圖縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即材料和擴(kuò)散參數(shù)的設(shè)計(jì)。包括：基片的電阻率和厚度；外延層的電阻率和厚度；集電極結(jié)深；發(fā)射結(jié)結(jié)深；淡硼基區(qū)擴(kuò)散表面濃度；濃硼區(qū)擴(kuò)散表面濃度；發(fā)射區(qū)擴(kuò)散表面濃度等。幾的選取如圖3-2所示，如,是基極電阻，fT是截止頻率。fT高的晶體管如,一定較大，反之/低的晶體管rbb，一定較小。在微波

16、低噪聲的設(shè)計(jì)中就必須考慮折中設(shè)計(jì)。圖3-2不同/晶體管的和f的關(guān)系示意圖在一般情況下，選取舟/Z1.7，為得到小的噪聲系數(shù)，就必須取較大/，本次設(shè)計(jì)指標(biāo)的工作頻率f=1GHz，選取舟=4GHz。本次實(shí)驗(yàn)采用如圖3-3所示的具有緩沖基區(qū)的結(jié)構(gòu)。一般緩沖基區(qū)的表面濃度得比P+濃硼區(qū)的表面濃度第50倍。襯底采用電阻率為0.0012cm摻銻的n型硅單晶片。、P+嚴(yán)IV丄逍艸mI0.20.3nm圖3-3具有緩沖基區(qū)的微波低噪聲晶體管外延層電阻率和集電區(qū)寬度wc的選取為了減小比$和Gc，在設(shè)計(jì)中采用正常工作時(shí)集電區(qū)穿通這一典型方法。在微波低噪聲晶體管中，工和。兩時(shí)間常數(shù)已不能再忽略。為了減小時(shí)間常ca數(shù)一

17、般在滿足集電結(jié)擊穿電壓的條件下，使集電結(jié)處于正常工作電壓時(shí)，集c電結(jié)的耗盡區(qū)正好擴(kuò)展在外延層襯底，即外延層穿通，此時(shí)比$具有最小值。同時(shí)集電結(jié)勢壘電容亦具有最小值。工作電壓不應(yīng)超過BVrKn的1/4。這樣設(shè)計(jì)微CECBO波低噪聲管集電區(qū)的依據(jù)是：第一，在工作電壓vrF時(shí)集電區(qū)剛好穿通；第二，CE取工作電壓冬E等于/5。在叫叫圖中畫出%E、2、5、10、20、50、100V各直線和.ox105V/cm直線，就構(gòu)成了工作于集電區(qū)穿通情況下的集電區(qū)設(shè)計(jì)圖，如圖1T所示。由所選取的工作電壓及其對BVrRn的要求，就可由卩嚴(yán)和兩直線的交點(diǎn)查出相對應(yīng)的貯和。這樣設(shè)計(jì)的集電區(qū)在工作電壓為Vrp時(shí)集電區(qū)剛穿通

18、并保證CCCE%。為乙的5倍。010.20.4D.6124610圖3-4工作于集電區(qū)穿通情況下的集電區(qū)設(shè)計(jì)圖根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)=6V，由公式cc%。=弄=%=2x5=10取0=80，s=4，BVcbo=30V，工作電壓%=(16)BVceo=5U根據(jù)圖1-1，由U=5V和=1.0 x105V/cm兩直線交點(diǎn),CEmax查得外延層雜質(zhì)濃度和集電區(qū)寬度為Nc=8x1015cm-3、wc=1.4m故外延層電阻率為Pc=18=1qNc=11.6x10-19x1200 x8x1015=0.650cm基區(qū)寬度Wb的選取在選定特征頻率/t=4GHz后，就要求Tec12nfT=39.8x10-12s，在微波范圍內(nèi)，

19、這個(gè)頻率并不算太高。取V=6x106cm/s，在選定W=14如后，t就max1Cd隨之確定了：叫2Vmax1.4x10-6=2x6x106=1.17x10-11s采用砷硼雙離子注入工藝科不考慮發(fā)射區(qū)陷落效應(yīng)，考慮到光刻精度，選取W=0.2“m，這樣對其他的時(shí)間常數(shù)則可放寬一些要求。因D=10cm2/s，則BBTb=叫24Db=10 x10-12s集電結(jié)結(jié)深啖、發(fā)射結(jié)結(jié)深喩的選取在基區(qū)寬度選取后，有x=x.+Wr。在此選用砷擴(kuò)散發(fā)射區(qū)和硼離子注BcjeB入基區(qū)工藝，砷擴(kuò)散發(fā)射區(qū)的雜質(zhì)分布近似為矩形。離子注入基區(qū)的雜質(zhì)濃度按高斯函數(shù)分布，其濃度分布函數(shù)為NBxJexp(-(X_Rp22nR.pb2

20、R,2pb初步選取硼的注入能量為80keV,注入劑量為=3.5x1013/cm2，由表3-1,可得表3-1砷和硼離子注入硅中時(shí)的能量與相應(yīng)的RP、ARP值能量（keV）20406080100120亠ip140pg160180200硼rp765156623373081381045025163580064187014%346580752889100711061190126213271368砷rp15026236847357768278889410011100呵5696133169204237269302334368最大濃度的位置為R,=3.08x10-5cm，標(biāo)準(zhǔn)投射偏差為R1=8.89x10-6

21、cm，pbpb帶入公式，可得注入硼的最大濃度為NDmB集電結(jié)結(jié)深為2兀R,pb3.5x1013-=1.57x1018cm-32nx8.89x10-6=3.08x10-5+Xjc=Rpb2Ri(Inpb122x8.89x10-6x(In1.57x10188x101512=5.97x10-5cm發(fā)射結(jié)結(jié)深為x=xWn=5.09x10-52x10-5=3.97x10-5cmjejcB同理可算得緩沖基區(qū)結(jié)深x【=6.15x10-5cm.在發(fā)射結(jié)處的雜質(zhì)濃度梯度為aje=N聞(恪一R“bexv(-也-R“b2R,2P(2R,2pbpb1.57X1018X3.97X10-5-3.08X10-53.97X1

22、0-5-3.08X10-528.89x8.89x10-12=eXp(2X8.89X8.89X10-12=1.07x1023cm-4因此，我們可以根據(jù)下式推得平均雜質(zhì)濃度。Ng/x.-R債x.-R債N=WB(erferf=2.77X1017cm-3B2(%Pe)l2叫b2叫b由此下式可以求得發(fā)射區(qū)正下方有源基區(qū)的方塊電阻，其中空穴遷移率11r=WB1q%xjcNBdX鳴(xjc_Xje)NBxje1氣=120cm2/VSo=1.6X10-19X120X2X10-5X2.77X1017刑-3=941X103屮同理，可以算得緩沖基區(qū)方塊電阻Rwb2=4.69X103Q/W。(5)砷離子注入表面濃度g

23、與外延層厚度W的選取ESepi要使發(fā)射極注入效率y趨近1,必須有RwbiRwb，即發(fā)射區(qū)的雜質(zhì)總量比基區(qū)雜質(zhì)總量大得多，故降低基區(qū)雜質(zhì)濃度NB能提高y。但降低NB將使基區(qū)電阻和,B1Bbb增大，從而導(dǎo)致功率增益Kp下降，大電流特性變壞。因此，一般總是采用提高發(fā)射區(qū)濃度的方法來獲得較高的注入效率。由于發(fā)射區(qū)的重?fù)诫s會(huì)使遷移率及擴(kuò)散系數(shù)下降，禁帶變窄，俄歇復(fù)合增強(qiáng)，這些不但不能再提高注入效率，相反會(huì)使其下降。因此發(fā)射區(qū)摻雜濃度不能太高，一般其表面濃度要限制在5X1020cm-3以下，本次設(shè)計(jì)取砷離子注入的表面濃度N“=2x1020cm-3。ES在考慮到襯底雜質(zhì)反擴(kuò)散距離習(xí)并留有一定余量尤后，外延層

24、厚度W.應(yīng)為/yepi%込+虧+牛+&。勺為濃基區(qū)下的集電區(qū)厚度，取0m，今主要由襯底雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)和外延時(shí)間所決定，一般只能按經(jīng)驗(yàn)估計(jì),一般取X嚴(yán)X=0.6“m，/丿C&的引入是考慮到在氧化過程中要消耗一部分硅以及各道工序中因不定因素引入的誤差，提咼工藝精度可以減小。故取W.=5p.m=5X10-4cm。yepi(6)縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)綜上所述，縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參數(shù)如下：外延層雜質(zhì)濃度NC=8x1015cm-3外延層電阻率pC=0.65Qcm集電區(qū)寬度WC=1.4x10-4cm基區(qū)寬度W=2x10-5cmB硼離子注入淡基區(qū)結(jié)深xjc=5.97x10-5cm硼擴(kuò)散濃基區(qū)結(jié)深x.=6.15x10-5

25、cmjc砷擴(kuò)散發(fā)射區(qū)結(jié)深x.e=3.97x10-5cm.e硼離子注入能量80keV硼離子注入劑量Nwb=3.5x1013cm-2外延層厚度W=5x10-4cmepi基區(qū)薄層電阻Rwb1=9.41x103Q/W注入基區(qū)薄層電阻RWB2=4.69x103Q/W砷離子注入表面濃度N=2x1020cm-3ES橫向結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取在圖形結(jié)構(gòu)方面，一般微波低噪聲晶體管都采用具有P+區(qū)的梳狀結(jié)構(gòu)。將發(fā)射區(qū)分割成許多狹長的發(fā)射區(qū)，并用金屬化電極條把他們并聯(lián)起來，再在這些狹長的發(fā)射區(qū)之間配置并聯(lián)的基區(qū)電極條，這樣就構(gòu)成了梳狀結(jié)構(gòu)。在一般梳狀結(jié)構(gòu)中，發(fā)射區(qū)的長度2比發(fā)射區(qū)的寬度大得多。e梳狀結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是工藝上比

26、較簡單，在每一發(fā)射極上可以制作填充電阻，并且發(fā)射極電極條和濃硼區(qū)之間沒有跨越。主要缺點(diǎn)有光刻對準(zhǔn)較為困難、電極金屬條失效前的平均壽命小、發(fā)射區(qū)電流分布不均勻等14。15發(fā)射極條寬S、條長1和條數(shù)n的選取ee發(fā)射極寬度S般應(yīng)稍大于兩倍發(fā)射極有效半寬度。選取S的原則是在能滿ee足設(shè)計(jì)指標(biāo)的前提下盡量選的大一些?，F(xiàn)代微波晶體管在不同的工作頻率下所采用的S值列于下表e表3-2現(xiàn)代微波晶體管在不同的工作頻率下所采用的S”值f(GHz)Se(“m)1.05.01.02.02.52.04.01.74.06.01.2再根據(jù)目前的工藝技術(shù)水平，本次設(shè)計(jì)選取發(fā)射極條寬度S=2m，發(fā)射區(qū)e與濃基區(qū)邊沿之間的距離Se

27、b=1.5艸。發(fā)射極總周長Lf由最大電流密度J,決定，現(xiàn)代的微波低噪聲晶體管的線電Eeml流密度通常選取在0.40.8A/cm之間，取J,=0.5A/cm。根據(jù)指標(biāo)要求/=10mA，得到所需發(fā)射極總周長為u=I/、=2x10-2cm，根據(jù)下表數(shù)據(jù)，選取EcmcmllS=17.5。ee表3-3工作頻率f、輸出功率卩0、與leSe對照表工作頻率f(MHz)輸出功率P0(W)發(fā)射極條長/發(fā)射極條寬1See15010103050010101000104GHz,滿足設(shè)計(jì)要求。62噪聲系數(shù)叫微波晶體管的最小噪聲系數(shù)表達(dá)式為F.=1+u+2u+U2。式中hh1mmu=2gjhh=其中B0為共基極電流放大系數(shù)

28、的低頻值，根據(jù)測試條件，取勺=0.94。f為共基極截止頻率，其定義為b由低頻值勺下降到勺2所對應(yīng)的頻率。由特征頻率定義可知，f是共射極增益0=1時(shí)所對應(yīng)的頻率，又因?yàn)榈皖l時(shí)a=BB+11，故可大致認(rèn)為a=a0時(shí)，其對應(yīng)的頻率為f。由公式f=hfh龍可知增益與頻率的乘積為常數(shù)，所以當(dāng)a0下降到a02時(shí)，共基極截止頻率龍相應(yīng)的增大到2fT。fa=2fT=1.414X5.33X109=7.53X109Hz=7.53GHz3db分貝倍頻程段f圖6-1增益與頻率關(guān)系曲線I3db電濡増益V是基極電阻,對于梳狀結(jié)構(gòu),hh1Rh,SRh2Shh1e+h2hv,hh2n61Iee=48.50=29.41X103

29、X2X10-44.69X103X5X10-4+6X3.5X10-33.5X10-3V是發(fā)射極電阻,ekTV=-eq【E所以1一+hh=210.94+丄7530.9448.5X0.0265X10-3=0.1642u+u2=1+0.164+2X0.164+0.1642=1.76F=1+u+min用分貝表示為N=10lgF=10XlgFmin噪聲方面滿足設(shè)計(jì)要求,即NF15dBo氣0.04一0.02520=26.7測試實(shí)驗(yàn)7.1晶體管特性電參數(shù)的測量實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜J4815型圖示儀的面板裝置及其操作方法；會(huì)測量二極管的正、反向特性，三極管的輸入特性、輸出特性及主要參數(shù)。實(shí)驗(yàn)原理晶體管特性圖示儀主要由

30、階梯波信號源、集電極掃描電壓發(fā)生器、工作于X-Y方式的示波器、測試轉(zhuǎn)換開關(guān)及一些附屬電路組成。晶體管特性圖示儀根據(jù)器件特性測量的工作原理，將上述單元組合，實(shí)現(xiàn)各種測試電路。階梯波信號源產(chǎn)生階梯電壓或階梯電流，為被測晶體管提供偏置；集電極掃描電壓發(fā)生器用以供給所需的集電極掃描電壓，可根據(jù)不同的測試要求，改變掃描電壓的極性和大??；示波器工作在X-Y狀態(tài)，用于顯示晶體管特性曲線；測試開關(guān)可根據(jù)不同晶體管不同特性曲線的測試要求改變測試電路。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容開啟電源測試NPN型、PNP型半導(dǎo)體管，并畫出I-Vrp特性曲線，同時(shí)分別標(biāo)出cCE放大區(qū)、截止區(qū)、飽和區(qū)和擊穿區(qū)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理IC1=8mA、IB1

31、=8x.5=0-04mAI=0.4mA、I=5x0.005=0.025mAC2B2士=竺/0.04B0.8-0.4截止擊穿飽和放大圖7-1晶體管特性電參數(shù)的測量圖示7.2晶體管開關(guān)參數(shù)的測量實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^上升、延遲、存儲(chǔ)、下降四個(gè)時(shí)間常數(shù)的測量，使同學(xué)加深對晶體管設(shè)計(jì)理論的認(rèn)識，進(jìn)一步理解開關(guān)參數(shù)物理意義，為數(shù)字電路和集成電路打下物理基礎(chǔ)。通過較復(fù)雜測試原理、測試系統(tǒng)配置、調(diào)試，掌握最佳測試方法。增強(qiáng)電子系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用能力。實(shí)驗(yàn)原理晶體管是一個(gè)比較理想的開關(guān)元件。在開態(tài)時(shí)，集電極電流趨于飽和，此時(shí)les=滄,EC間電壓降很小，相當(dāng)于短路；在關(guān)態(tài)時(shí)，Ics=Ico,VCE=Vcc,ECRc間相當(dāng)于

32、開路。所謂“比較理想”是指晶體管的輸出脈沖對于輸入脈沖在時(shí)間上還有一個(gè)延遲故此引出四個(gè)開關(guān)參數(shù)。下圖是典型的NPN晶體管開關(guān)電路，圖中心和Rb分別為負(fù)載電阻和基極偏置電阻、和+c分別為基極和集電極的偏置電壓?，F(xiàn)如果給晶體管基極輸入一個(gè)脈沖信號Vb，則基極和集電極電流ib和的波形，如下圖所示。當(dāng)基極無信號輸入時(shí)，由于負(fù)偏壓的作用，使晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，集電極只有很小的反向漏電流即iCE0通過，輸出電壓接近于電源電壓+vcc。此時(shí)晶體管相當(dāng)于一個(gè)斷開開關(guān)。當(dāng)給晶體管輸入正脈沖時(shí)，晶體管導(dǎo)通。若晶體管處于飽和狀態(tài)，則輸出電壓為飽和電壓，集電極電流為飽和電流匕。此時(shí)，晶體管相當(dāng)一個(gè)接通的開關(guān)。由上圖可

33、以看出：當(dāng)輸入脈沖Vb加入時(shí)，基極輸入電流立刻增加到IB1、但集電極電流要經(jīng)過一段延遲時(shí)間才增加到Ics，當(dāng)輸入脈沖去除時(shí)，基極電流立刻變到反向基極電流1氏，而集電極電流也經(jīng)過一段延遲時(shí)間才逐漸下降。在實(shí)際測量中，如果使用雙蹤示波器，觀察的是輸入電壓和輸出電壓的波形如下圖所示。上圖可以看出，采用脈沖信號發(fā)生器作信號源，在晶體管的輸入端加一適當(dāng)?shù)姆讲}沖信號，在晶體管的輸出端就會(huì)得到一個(gè)延遲的脈沖信號。將這個(gè)延遲脈沖與脈沖信號發(fā)生器直接輸入到示波器屏幕上的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號比較，利用前面所敘述的開關(guān)參數(shù)定義，就測出了各個(gè)開關(guān)參數(shù)。圖7-5開關(guān)晶體管測量原理圖穩(wěn)壓源穩(wěn)壓器孜蹤示波器脈沖發(fā)生器圖7-6開關(guān)

34、晶體管測量結(jié)果示意圖其中+匕即開啟時(shí)間ton、ts+tf即關(guān)閉時(shí)間%，本實(shí)驗(yàn)所要測量的開關(guān)時(shí)間就是根據(jù)這個(gè)定義的開關(guān)時(shí)間,按這種定義方法測量開關(guān)時(shí)間比較方便。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理圖及裝配圖，用高頻電纜線，T型連接器和導(dǎo)線將信號發(fā)生器，示波器，數(shù)字電壓表，偏置電源和測試板連接好。面板示意圖如下：圖7-7開關(guān)晶體管測量面板示意圖2、插上被測晶體管,選好某一測試頻率及VBB和VCc，VBB=02V,VCC=10V,調(diào)節(jié)好信號源的幅度巴，然后再適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)示波器上的時(shí)基掃描和穩(wěn)定度。就會(huì)在屏幕上看到如圖5-6所示的兩個(gè)方波脈沖。3、按照晶體管的開關(guān)參數(shù)定義及示波器的讀數(shù)規(guī)則測出一組一九和%。4

35、、測量完畢，拆下連接線，關(guān)閉儀器，整理好實(shí)驗(yàn)經(jīng)教師允許后可以回去完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)課程報(bào)告半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)課程報(bào)告 圖7-9關(guān)斷時(shí)間 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理VV+VV+VI=CC=I+I=bbbe丄ibeles斤，IB=I1+I2=RLib其中取10V，嶺取0.9V。實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)如下：表7-1實(shí)驗(yàn)二測量數(shù)據(jù)RJQ）Ri（Q）Rl(Q)【cs(A)Ib(A)ICS/IB關(guān)斷時(shí)間toff(ns)開通時(shí)間ton(ns)10001092000.050.0076.58704167.24701092000.050.00410.66624453.84704702000.050.00218.35

36、592856根據(jù)計(jì)算出的IcsIB和測得的ton、繪制出下圖。圖7-8開啟時(shí)間ICS/IB思考題總結(jié)你認(rèn)為如何提高開關(guān)參數(shù)？答：減小結(jié)面積，以減小結(jié)電容；適當(dāng)選取開關(guān)基極電流IB1,IB2；減小基區(qū)寬度；增加基區(qū)少子壽命；摻金(復(fù)合中心)，快速釋放非平衡載流子；提高基區(qū)濃度梯度；提高遷移率。7.3晶體管高頻參數(shù)的測量實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步了解特征頻率舟的物理意義，熟練使用參數(shù)儀測量特征頻率舟。2、通過實(shí)驗(yàn)了解舟隨偏流、偏壓的變化情況。實(shí)驗(yàn)原理晶體管有高頻管和低頻管之分，一般來說低頻管只能用在3MC以下的頻率范圍；而高頻管則可以用到幾十或者幾百M(fèi)C的高頻范圍，有時(shí)稱超過75MC的管子為超高頻

37、晶體管。如果使用頻率超過了晶體管的頻率范圍，則晶體管的放大特性就顯著地變壞，甚至無法使用。晶體管放大特性的變壞，是由于訊號頻率超過某一值以后，晶體管的電流放大系數(shù)開始下降而造成的。晶體管的共射極電流放大系數(shù)B與信號頻率f間的關(guān)系為：1+j丄%式中為低頻是的電流放大系數(shù)，fp為共射極的截止頻率(也就是共射極電流放大系數(shù)B下降到*仔或0.707仔的頻率)。下圖畫出了晶體管發(fā)射極電流放大系數(shù)B隨頻率的變化曲線。由圖可見，在頻率比較低時(shí)，B基本不隨頻率變化，它的數(shù)值被定義為仔0。當(dāng)頻率比較高時(shí)，B值隨頻率f升高而下降。如果訊號頻率超過發(fā)射極截止頻率，晶體管的共射極電流放大系數(shù)B就比低頻時(shí)的仔小的多。但

38、是，心并不是晶體管所能使用的最高頻率，因?yàn)?的B值(即0.707仔)仍比1大的多，所以晶體管此時(shí)還是有電流放大作用的。晶體管的實(shí)際使用頻率可以比心高。當(dāng)頻率遠(yuǎn)大于（比如2応就可以認(rèn)為fAfp），此時(shí)有f-B=f仔0=常數(shù)f-B=fT上式比較確切地反映了晶體管的頻率特性。當(dāng)頻率低于舟時(shí)，電流放大系數(shù)B1，晶體管有電流放大作用；當(dāng)ffT，B1,沒有電流放大作用，所以特征頻率舟是晶體管可以起電流放大作用的最高頻率的限度，是共射極電路設(shè)計(jì)的一個(gè)重要依據(jù)。fT作為晶特管的頻率參數(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是測量比較方便。由公式可以看出，測量辦的實(shí)質(zhì)就是在滿足鳥1時(shí)，測量其共發(fā)射極短路電流增益B。測量電路r%原理圖為：

39、圖7-11衍測量電路原理圖實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、準(zhǔn)備將“極性轉(zhuǎn)換”置“0”,“參數(shù)量程”置于“校準(zhǔn)”。將“電流量程”置于所需檔位。將電流的調(diào)節(jié)旋鈕逆時(shí)針調(diào)到最小。2、校準(zhǔn)接通本儀器的電源預(yù)熱半小時(shí)。將校準(zhǔn)用短路器插入B、C插孔，調(diào)節(jié)“校準(zhǔn)”旋鈕使參數(shù)表準(zhǔn)確滿度，拔下短路器。在溫度發(fā)生很大變化和儀器長期未經(jīng)使用需要調(diào)節(jié)檢波負(fù)載，即校準(zhǔn)右邊暗電位器。3、測量依被測管舟大致范圍將“參數(shù)量程”置2000MHz或600MHz(QG22)。按測試盒管腳標(biāo)記插入被測管。(注意：一定要插到底！)按被測管的極性需要把“極性轉(zhuǎn)換”置于“NPN”。首先控制乙=10V，順時(shí)針緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)電流。在參數(shù)表盤上直接讀出

40、舟值?；謴?fù)到“準(zhǔn)備”狀態(tài)，以便下次測量。再控制打=10mA，順時(shí)針緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)電流。在參數(shù)表盤上直接讀出舟值。恢復(fù)到“準(zhǔn)備”狀態(tài)，以便下次測量。同型號管連續(xù)測量時(shí)，在完成第3項(xiàng)的15條后，可連續(xù)插拔管讀數(shù)，不必重調(diào)。連續(xù)測量大于1小時(shí)，應(yīng)主動(dòng)重新校準(zhǔn)一次，在要求較高的測量中，應(yīng)隨時(shí)校準(zhǔn)，以消除儀器本身漂移所造成的誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理當(dāng)=30V固定不變時(shí)，測得數(shù)據(jù)如下。從下面數(shù)據(jù)可以看出，隨著反向電流增大，截止頻率先增大后減小。截止頻率峰值大約在4=-10尬4時(shí)出現(xiàn)。表7-2實(shí)驗(yàn)三數(shù)據(jù)一(V=30V)IE(mA)fT(MHz)-1145-2184-5226-10246-15246-2

41、5230-30218-35202-40184-45164-47.5145當(dāng)/=10mA固定不變時(shí)，測得數(shù)據(jù)如下。從下面數(shù)據(jù)可以看出，隨著反向電E流增大，截止頻率先增大后減小。截止頻率峰值大約在=-13V時(shí)出現(xiàn)。表7-3實(shí)驗(yàn)三數(shù)據(jù)二（IlOmA）Vce(V)fT(MHz)-O.258-O.51OO-1138-1.215O-2.2182-3.32OO-4.221O-5.822O-1O.223O-13232-18.223O-22226-26.822O-32.421O-37.42OO-45.218O-51.116O-57.813O-63.61OO-68.28O-71.17O-76.258圖7-13lE

42、=10mA不變時(shí)心測量結(jié)果（5）思考題總結(jié)你認(rèn)為如何提高舟參數(shù)？減薄基區(qū)寬度；提高基區(qū)雜質(zhì)濃度梯度；減小結(jié)面積；減小集電區(qū)電阻及厚度；做好Al電極歐姆接觸；注意管殼的設(shè)計(jì)及選擇，以減小雜散電容；在結(jié)構(gòu)參數(shù)相同均相同時(shí)，npn管較pnp管有較高的fT；采用高遷移率材料（GaAs，InP）；新結(jié)構(gòu)（HBT）考試內(nèi)容8.1橫向參數(shù)最小光刻距離為3m；單元發(fā)射極條寬度Se=10m,長度le=60m,數(shù)目n=6x5=30個(gè)；單元發(fā)射極引線孔寬度為6m,長度為50m；單元淡基區(qū)寬度為20m,長度為80m；濃基區(qū)網(wǎng)格作為內(nèi)引線部分寬度Sb=6“m，刻基區(qū)引線孔部分的寬度為12m；考慮對準(zhǔn)的偏差和加強(qiáng)四周電流

43、的流通，在邊緣的濃基區(qū)寬度由6m增加至8m,邊緣的基極引線孔引線部分寬度由12m增加至14m；計(jì)算數(shù)值替換如下：基極引線孔寬度為8m,長度為124m；淡基區(qū)外輪廓為566mx138m；濃基區(qū)外輪廓為568mx140m；8.2繪制覆蓋式晶體管光刻版圖打開L-Edit軟件，設(shè)置工藝名稱為1微米工藝，選擇定位單位及鼠標(biāo)在圖區(qū)域的捕捉單位為1微米,選擇標(biāo)尺,橫軸標(biāo)尺參數(shù)：坐標(biāo)為（0,-5）,（568,-5）；縱軸標(biāo)尺參數(shù)：坐標(biāo)為（-5,0）,（-5,140）。圖8-1考試?yán)L制光刻版圖書中錯(cuò)誤糧掘註入蠱底集電極第涿百=0.514叭選瞰神護(hù)蝕蟄射區(qū)菇廉珈=酣叭則世Jt聊嚴(yán)0.21以叫圖9-1書中P325頁

44、印刷錯(cuò)誤書中P325頁在此處寫到發(fā)射區(qū)結(jié)深兀=3“m,實(shí)際上發(fā)射區(qū)結(jié)深應(yīng)為0.3“m。丿幺總結(jié)本文根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，進(jìn)行了微波低噪聲晶體管的縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)、橫向結(jié)構(gòu)參數(shù)等的計(jì)算和選取，并對特征頻率、噪聲系數(shù)、功率增益等主要參數(shù)進(jìn)行了核算，結(jié)果舟=5.33GHz、Np=2.46dB、Kp=15.3dB，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求；結(jié)構(gòu)方面，采用了具有緩沖基區(qū)的結(jié)構(gòu)；在圖形結(jié)構(gòu)方面，采用梳狀結(jié)構(gòu)，并畫出了所設(shè)計(jì)的微波低噪聲晶體管的圖形。橫、縱向設(shè)計(jì)參數(shù)如下：外延層雜質(zhì)濃度NC=8X1015cm-3外延層電阻率pC=0.65Qcm集電區(qū)寬度WC=1.4X10-4cm基區(qū)寬度W=2X10-5cmB硼離子注

45、入淡基區(qū)結(jié)深xjc=5.97X10-5cm硼擴(kuò)散濃基區(qū)結(jié)深x.=6.15X10-5cmjc砷擴(kuò)散發(fā)射區(qū)結(jié)深x.e=3.97X10-5cm.e硼離子注入能量80keV硼離子注入劑量Nwb=3.5X1013cm-2外延層厚度W=5X10-4cmepi基區(qū)薄層電阻RWB1=9.41X103Q/W注入基區(qū)薄層電阻RWB2=4.69X103Q/W砷離子注入表面濃度N=2X1020cm-3ES發(fā)射集條寬Se=2X10-4cme發(fā)射集條長le=3.5X10-3cme發(fā)射區(qū)到濃基區(qū)距離Seb=1.5X10-4cm濃基區(qū)寬度S=5X10-4cmb發(fā)射集條數(shù)n=3基區(qū)面積A=2.1X10-6cm2b發(fā)射區(qū)面積A=

46、8.7X10-6cm2e本次實(shí)驗(yàn)我們組遇到的最大的問題就是時(shí)間。由于這是一個(gè)全新的東西，雖然說上課都有涉及，但是僅限于理論層面。真正動(dòng)手實(shí)踐，又是新的一件事情。在計(jì)算設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，我們組一開始并不是很了解各個(gè)參數(shù)之間的計(jì)算關(guān)系，一點(diǎn)一點(diǎn)去找公式，一點(diǎn)一點(diǎn)去摸索。尤其是，書上有些公式寫的較為模糊，不同的書籍和文章之間定義公式的字母也不同，很難形成對應(yīng)。不過這一切，都被我們組很好的克服了。還有一大難點(diǎn)就是L-Edit軟件的熟練使用。L-Edit軟件是一款全英文的軟件，首先在理解上就會(huì)有一定的困難。好在有老師在第一堂課給大家的例子，我們組三人在一步步的實(shí)踐中，最終全部熟練掌握軟件的使用。本次實(shí)驗(yàn)我們大

47、致按照以下步驟進(jìn)行。首先，我們在討論過程中先確立了題目，微波低噪聲晶體管設(shè)計(jì)。第二步，我們開始到網(wǎng)站上收集資料，查閱了大量的文獻(xiàn)以方便我們理解。于此同時(shí)，我們還仔細(xì)研讀老師給的晶體管原理這本書，并且在讀書的過程中將書中全部公式敲入電腦中。第三步，在結(jié)合大量的文獻(xiàn)以及書目之后，對微波低噪聲晶體管的設(shè)計(jì)已有了初步的了解，在此基礎(chǔ)之上我們完成了第一節(jié)課的參數(shù)計(jì)算與設(shè)計(jì)。版圖部分，由于有了老師的例子作為參考，版圖部分的進(jìn)展還算順利，我們在很短的時(shí)間內(nèi)就確立了版圖的參數(shù)以及完成了版圖的設(shè)計(jì)。最后，在驗(yàn)證計(jì)算方面，由于已經(jīng)有了之前的基礎(chǔ)，驗(yàn)證計(jì)算這部分完成的也還算輕松。在我們?nèi)瑢W(xué)精誠合作之下，出色的完成了此次試驗(yàn)以及最后實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫。本次實(shí)驗(yàn)，組長譚祖雄同學(xué)主要負(fù)責(zé)參數(shù)計(jì)算，版圖設(shè)計(jì)以及最后驗(yàn)算的過程，并且撰寫了實(shí)驗(yàn)報(bào)告的大部分內(nèi)容。組員張亮同學(xué)