晶体管设计分析

1.课程设计目的与任务 (2)

2.设计的内容 (2)

3.设计的要求与数据 (2)

4.NPN管图形结构的选择 (3)

5.确定纵向结构参数 (3)

（1）各区掺杂浓度及集电极外延材料电阻率的选取 (3)

（2）各区少子迁移率、扩散长度的计算 (4)

（3）集电区厚度Wc的选择 (6)

（4）基区宽度的选取 (7)

（5）发射极和集电极结深的选取 (8)

6.横向尺寸的选择 (8)

（1）单元发射极宽度、长度和个数的选取 (8)

（2）发射区和基区面积的选取 (9)

7.参数验证 (10)

8.工艺版图 (11)

9晶体管课设心得体会 (12)

NPN双极型晶体管的设计

1、课程设计目的与任务

《电子器件课程设计》是继《微电子器件基础》、《微电子工艺》和《半导体物理》理论课之后开出的有关微电子器件和工艺知识的综合应用的课程，使我们系统的掌握半导体器件，集成电路，半导体材料及工艺的有关知识的必不可少的重要环节。

目的是使我们在熟悉晶体管基本理论和制造工艺的基础上，掌握晶体管的设计方法。要求我们根据（1）分析设计指标，确定主要参数；（2）选择合适工艺，确定工艺水平；（3）根据参数要求和工艺水平计算管芯纵、横向结构参数；（4）主要参数验算或器件、工艺模拟；（5）画出器件版图等设计过程的训练，为从事微电子器件设计、集成电路设计打下必要的基础。

2、设计的内容

设计一个均匀掺杂的pnp型双极晶体管，使T=300K时，h

FE /I

=500/2mA，

CBO =30V.晶体管工作于小注入条件下，最大集电极电流为I

=100mA，集电极耗

散功率Pc=300mW。特征频率 f

=300MHz。设计时应尽量减小基区宽度调制效应的影响。

3、设计的要求与数据

（1）了解晶体管设计的一般步骤和设计原则。

（2）根据设计指标设计材料参数，包括发射区、基区和集电区掺杂浓度N

E , N

和N

,根据各区的掺杂浓度确定少子的扩散系数，迁移率，扩散长度和寿命等。

（3）根据主要参数的设计指标确定器件的纵向结构参数，包括集电区厚度W

，

基本宽度W

b ，发射区宽度W

和扩散结深X

,发射结结深X

等。

（4）根据设计指标确定器件的图形结构，设计器件的图形尺寸，绘制出基区、发射区的光刻版图。

在设计过程中，应该着力解决以下两对矛盾：一是高频率和大功率的矛盾，

二是设计指标与加工难度的矛盾。

对于前者，在晶体管处于大注入工作状态时，会产生集电极电流集边效应、基区电导调制效应和基区宽变效应等，以上效应会对基区渡越时间τB 进而对特征频率fT 产生影响；对基区电阻rb 、有效基区宽度Wb 、集电极电容等等均会有所改变；

此外，设计指标中，为了使功率晶体管既能达到比较高的设计使用指标要求，同时又要考虑到加工难度不能过高，要符合目前的加工工艺水平，这就要求对各方面要求要综合考虑，找到最优方案。

4、NPN 管图形结构的选择

NPN 管的图形结构如下：

5、确定纵向结构参数

纵向结构参数主要是指结深、基区宽度、外延材料的电阻率和厚度以及各区中杂质浓度，下面分别进行估算。

（1）各区掺杂浓度及集电极外延材料电阻率的选取

击穿电压主要由集电区电阻率决定。因此，集电区电阻率的最小值由击穿电压决定，在满足击穿电压要求的前提下，尽量降低电阻率，并适当调整其他参量，以满足其他电学参数的要求。

对于击穿电压较高的器件，在接近雪崩击穿时，集电结空间电荷区已扩展至均匀掺杂的外延层。因此，当集电结上的偏置电压接近击穿电压V 时，集电结可用突变结近似，对于Si 器件击穿电压为4

313

106-

?=）（BC B N V ，由此可得集电区杂质浓度为：

1334

13)1106106CEO

n CBO

C BV BV N β+?=?=（）（

由设计的要求可知C-B 结的击穿电压为： BVCBO=30V 根据公式,可算出集电区杂质浓度：

3163

413

cm x1052.23010x 610

x 6-=???

? ??=?

? ??=CBO

Nc 一般的晶体管各区的浓度要满足NE>>NB>NC ，根据以往的经验可取:

E C B N N N N 100,10==

即各区的杂质浓度为： 3193

173

161052.21052.21052.2---?=?=?=cm N cm N cm Nc E B

根据图1可知，相应的材料电阻率在c ρ= 0.3

cm ?Ω

图1

对于硅材料，最高结温Tjm 为

Tjm = 6400/（10.45+ln ρc ）

式中ρc 为外延材料的电阻率。由式可见，当外延集电区电阻率ρc < 5cm ·Ω时，T j m >200℃。考虑到降低最高结温有利于晶体管的可靠性和稳定性，故选取T j m =175℃，同时选取环境温度T a =25℃。由此得到的晶体管热阻为

RT = (Tj m-Ta)/ Pc m= 200 ℃/W

（2）各区少子迁移率、扩散长度的计算根据图2，得到少子迁移率：

s V cm p C ?==/4502μμ s V cm n B ?==/5502μμ s V cm p E ?==/1502μμ

图2 室温下载流子迁移率与掺杂浓度的函数关系

根据公式可得少子的扩散系数：

cm q kT D s cm q kT D s cm q kT

D E E B B C C /9.3150026.0/3.14550026.0/7.11450026.0222=?===?===?==

μμμ

图3 少子寿命与掺杂浓度的函数关系

根据图3，可得到各区的少子寿命E B C τττ和、

s C 4101-?=τ s B 5102.1-?=τ s E 8101-?=τ

为了方便得到较合理的基区准中性宽度，所以这里的少子寿命取值为

s C 6101-?=τ s B 6102.1-?=τ s E 8101-?=τ

根据公式得出少子的扩散长度：

D L cm D L cm

D L

E E E B B B C C C 4836361097.11019.31014.4102.13.141042.31017.11------?≈??==?≈??==?≈??==τττ

（3）集电区厚度Wc 的选择

根据公式求出集电区厚度的最小值为：

m cm qNc BV X W CBO S mB C μεε25.11025.11052.2106.1308.111085.82242

1161914

10=?≈??

???????????=???

???=>--- W C 的最大值受串联电阻r cs 的限制。增大集电区厚度会使串联电阻r cs 增加，饱和压降V CES 增大，因此W C 的最大值受串联电阻限制。综合考虑这两方面的因素，故选择W C =6μm

（4）基区宽度的选取

①基区宽度的最大值

对于低频管，与基区宽度有关的主要电学参数是

，因此低频器件的基区宽

度最大值由确定。当发射效率γ≈1时，电流放大系数][1

B L W λβ=，因此基区

宽度的最大值可按下式估计：2

2][β

λnb B L W <

为了使器件进入大电流状态时，电流放大系数仍能满足要求，因而设计过程中取λ=4。根据公式,求得低频管的基区宽度的最大值为：

()

m cm L W nb

B μβλ7.3107.3500

1014.4442

12max

=?≈??=??

???=--

由公式可看出，电流放大系数β要求愈高，则基区宽度愈窄。为提高二次击穿耐量，在满足β要求的前提下，可以将基区宽度选的宽一些，使电流在传输过程中逐渐分散开,以提高二次击穿耐性。

②基区宽度的最小值

为了保证器件正常工作，在正常工作电压下基区绝对不能穿通。因此，对于高耐压器件，基区宽度的最小值由基区穿通电压决定,此处V BV CBO 30=，对于均匀基区晶体管，当集电结电压接近雪崩击穿时，基区一侧的耗尽层宽度为：

()()m

cm BV N N N qN BV N N N qN X CBO C B C

B S CBO A D A

D S B μεεεε12.0102.1301052.21052.21052.21052.2106.110

85.88.1122252

1716

171914

10min =?≈????????+?????????=??

????+=?

?????+=--- 在高频器件中，基区宽度的最小值往往还受工艺的限制。则由上述计算可知基区的范围为：m W m B μμ7.312.0<< 这里基区宽度B W 取1.7μm 。

（5）发射极和集电极结深的选取

由于采用磷硼扩散工艺，在基区宽度取为1.7μm 情况下，必须考虑基区下陷

效应的影响。如果令 =jc je x x /0.5，并假定基区下陷深度

b W W 31=?，基区宽度为

b je b W x W 3164+=

。

因已经选取b W = 1.7μm ，je x =b W = 1.7 μm ，集电极结深jc x = je x /0.5

=3.4μm。

6、横向尺寸的选择：

管芯的几何图形选定以后，就可以根据参数指示的要求，初步确定光刻版上各个尺寸的大小，其中主要参数有：发射区面积以及浓基区网格与发射结边沿的间距等。下面逐个进行讨论。

（１）单元发射极宽度、长度和个数的选取

首先要确定集电极最大电流值J c m 。根据3

171052.2-?=cm N B ，得到相应

的D n b ，W b ,，得到发射极临界电流密度为

J E m = - b

nb W N qD 2= 0.96×104A/cm 2 （由于有效基区扩展效应）

再求集电极临界电流密度 ??

????+=C c CC s s cr N qW V qu J 2

012εε= 3.4×104 A/cm 2

（由于基区电导调制效应）

比较上述两个临界电流值，则集电极最大电流密度值应选为

J cm = 9.6×103A/cm 2

不计集电极电流通过基区时所产生的横向扩散，那么所需要的发射极有效面

积

A eff =

J I =0.1×10-4 cm 2

由电流集边效应决定的发射极有效半宽度： S e f f =()2

/1/17.2?

???f J f W q kT CM T b b σ =2x10-4cm （工作频率设定在180MHz ）

式中b δ为基区平均电导率，B pb b N q μσ=，B N 相对应的少数载流子迁移率

经上文查得。所以，设计晶体管的发射极条有效宽度为2 S ef f 。

发射极总周长L e 作如下估计：

L e =

eff

eff S A =0.05cm

这里所选的线电流密度 *

cm J =

L I =2A/cm 如有n 个发射极单元，金属薄层电阻 R □m ，电极宽Sm ，则：

KT R I S n l m E m eff

???=口3

工程实际一般取： ()e eff S l 8~4≈

这里取e eff S l 4= 则发射区小单元数：()1210

22005

.0201024

=??=≈=+=

-eff e e e e eff e S L S L S l L n （2）发射区和基区面积的选取

发射区小单元周长为：m n L L e e μ6.4112

500'===

又知发射极有效宽度为：m S S eff e μ42== 故发射极长度为：m l e μ8.16=

因此，可得发射区面积22.67m S l A e e E μ=?=

基区面积可取2200258m A B μ=?=

7、参数验证

与PN 结二极管的分析类似，在平衡和标准工作条件下，BJT 可以看成是由两个独立的PN 结构成. 具体来说，由于B E N N >>，所以E-B 耗尽区宽度（EB W ）可近视看作全部位于基区内，又由C B N N >，得到大多数C-B 耗尽区宽度（CB W ）位于集电区内。因为C-B 结轻掺杂一侧的掺杂浓度比E-B 结轻掺杂一侧的浓度低，所以CB W ＞EB W 。另外注意到B W 是基区宽度，W 是基区中准中性基区宽度；也就是说，对于NPN 晶体管，有：nCB nEB B x x W W ++=

其中nEB x 和nCB x 分别是位于N 型区内的E-B 和C-B 耗尽区宽度，在BJT 分析中W 指的就是准中性基区宽度。 E-B 结的内建电势为：

()

V n N N q kT V i B E biEB

0.1101052.21052.2ln 026.0ln 21017

192≈????==

C-B 结的内建电势为：

()

V n N N q kT V i B C biCB

826.0101052.21052.2ln 026.0ln 21017

162≈????== 根据公式,E-B 结在基区一边的耗尽层宽度nEB x 为： ∵B E N N >> ，可以当成单边突变结处理

()2

1021022?

?????≈??????+=biEB B S biEB B E B E S pEB

V qN V N N N N q X εεεε

m cm μ228.01028.21052.2106.111085.88.11252

1914

=?≈??

???

????????=--- CBO

CB V V >>因

()2

102?

?????+=biCB B C B C

S pCB V N N N N q X εε所以有

()

cm μ0197.01097.1826.01052.21052.21052.21052.2106.11085.88.11262

117161716

1914

=?≈????????+????????=---

对于准中性基区宽度W ，取基区宽度m W B μ7.1=，则 m X X W W nCB nEB B μ45.10197.0228.06.1=--=--= 验证其取值的准确性，根据公式有：

211

???

??+=B E E B B E dc L W L W N N D D β

494

1014.4102.1211097.1102.11052.21052.23.149.31

34341917≈???

? ?????+??????=

----

解得的β接近于设计的要求，符合设计指标，所以基区宽度为m W B μ7.1=，满足条件m W m B μμ7.312.0<<。

8、工艺版图

基区

发射区

器件总图：

9.晶体管课设心得体会

虽然我们已经学过半导体器件的基本专业课，但是在着手设计时其所带来的困难却是相当大的，因为设计过程中需要书写大量的公式和计算，在编辑这些公式时花费了大量的时间，甚至很多东西包括公式、设计方案等都完全不了解，我只能带着无数的疑问自己去看书，在看书的过程中，由于无从下手或者里面的东西太过复杂，第一想法就是放弃，但幸好最后还是坚持了下来。我想这门课除了理论知识的学习以外，更重要的可能是在学习一种自学或者自己探索的过程，从一无所知到最后完成报告并在课上演讲，这是一个复杂而艰难的过程，每个人都会在这个过程中证明自己的价值。通过这门课程能增加了自己对晶体管设计以及制作方面的知识，并且深深的了解到了自我探索这个过程的重要性。我会在以后的学习和工作中，不断的进行自我反思以及自我探索，不断提高自己。