晶体管设计全解

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 c=500/2mA BV C B=30V.晶体管工作于小注入条件下，最大集电极电流为l c=100mA集电极耗
散功率Pc=300m W特征频率f T=300MH Z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,和N D,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,发射区宽度W和扩散结深X c,发射结结深X e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T B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
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
3
用突变结近似，对于Si器件击穿电压为V B=61013（N BC）下，由此可得集电区杂质浓度为：
13 4 13 4
N c =（6BV」））（F^0—r
BV CBO枣1 + P BV CEO
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:
N B
"0 N C
, N E
-100 N B
即各区的杂质浓度为：
Nc=2.52 1016cm" N B =2.52 1017cm‘ N^ 2.52 1019cm‘
根据图1可知，相应的材料电阻率在 匚=0.3 11
* cm
图1
对于硅材料，最高结温Tjm 为
Tjm = 6400/ (10.45+ln p c )
式中p c 为外延材料的电阻率。

由式可见，当外延集电区电阻率
p c < 5cm- Q 时，T j m >200C 。

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 =175C ，同时选取环境温度T a =25C 。

由此得到的晶体管热阻为
RT = (Tj m-Ta)/ Pc m= 200 C /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：
Nc
二
般的晶体管各区的浓度要满足 = 2.52x1016cm"
NE>>NB>NC 根据以往的经验可取
-- -"X L 1 1
1L
1
占卜 ■
■
III ;
d±t ± J ；
1 M
" f 1 1
X
hr=3ooK
4
(6x1013 Y —
(BV O 丿 ] 15 巧
' 1017 1018 1QZ0
-91 o
匕二=450cm2/V s 咕二» = 550cm2/V s "E二"p =150cm2/V s
2
IO'5 JO»^
ion
10'*
't, <v (n h
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: 2
= 0.026 450 =11.7cm / s
2 3
= 0.026 550 = 14.3cm /s
■ f T f r f v v
，r rr R ” hi~| ・卄 n r A r
■"卜* 寄
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II 1
r —r--r- - tri ■■
<■■：■•■■■■
kT.
q
kT
kT 2
= 0.026 150 =3.9cm /s
5 2i冇根si中归數抚jftv■•亚产的対命*ntr散长电F挣杂谁虫的关杲
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 C
、.B 和.E
4
5
8
C
=1
10 s
B
=1.2 10 s E
=1 10 s
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
C
=1 10“s
B
=1.2 10 ^s
E
=1 10」s
根据公式得出少子的扩散长度：
L C
「D C
—C
八、11.7 1 10“ : 3.42 10；cm
L B 「D B B 八.14.3 1.2 10出 4.14 10；cm
L E
f ；D E E
= -3.9 1 10》：1.97 10*cm
(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:
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 C ES 增大，因此VC 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=6卩m
I
IO-*
IO*1
10*-
1U *
IO*3
t*J 5-22 n Si 中少敎兢涛子空穴的舟命和4T 欲隹度与笹杂玻度的艾辜
or。

6 6
I
1 9"
W C - X mB
2 -Q S BV CBO
qNc
1 1
I 2 = [2沢8.85"0,4 汉11.8汉30卩 一 ]1.6<10^^<2.52<1016
一
:
1.25 10*cm=1.25"m
(4)
基区宽度的选取
基区宽度的最大值
对」:低频管，与基区宽度冇关的乍要电学参数是，因此低频器
件的基区世
2
二［乌］，因此基区 'L
nb
宽度的最大值可按下式估计：
W B 讥丄邛
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 中取入
=4。

根据公式，求得低频管的基区宽度的最大值为：
i
_______________________
Wfe max = I*"十4"4
嘗0
10
'舟3.7>dO ，cm = 3.7Pm
［目一 V 500
由公式可看出，电流放大系数B 要求愈高，则基区宽度愈窄。

为提高二次击 穿耐量，在满足B 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。

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BV CBO 二30V ，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：
1
严OS
N A
护
□
- BV CBO
]qN ° (N D +N A ) 一
■1.2 10^cm =0.12」m
度最人值由确定；出发射效率
1 〜1时，电流放大系数= B min
2 ；o ；s
N B N C
2 11.8 8.85 1044
_19
17
_1.6 10
2.52 10
16
2.52 10
17
16
2.52 10 2.52 10
30
山一 BV
CBO 1
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：0.12：：：W B ：：： 3.7 这里基区宽度 W B 取1.7卩m 。

(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1.7ym 情况下，必须考虑基区下陷
1
/
=
^W b
= -W b
效应的影响。

如果令 X je /X jc =0.5，并假定基区下陷深度
3 ，基区宽
4 1 W b
二—X je -W b 度为
6 3 。

因已经选取g = 1.7^m ， X je =叫=1.7 ym ，集电极结深X j C
= X j e
/0.5 =3.4 卩 m 。

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
17
_3
首先要确定集电极最大电流值J C m 。

根据N B
=
2.52 10 cm
，得到相应 的D
n b
，
W b ,，得到发射极临界电流密度为
厶m = - 2qD nb N B = 0.96X 104A/cm 2 (由于有效基区扩展效应)
W b
再求集电极临界电流密度
J cr =q%1 I 兰辿O + N c = 3.4X 104 A/cm 2 （由于基区电导调制效应） -qW c
一
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= 9.6X 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
由电流集边效应决定的发射极有效半宽度：
&=2
.仃 J kT
/ q 夕 b W
b f
T I
=2x10-4cm (工作频率设定在 180MHz )
]J CM
f 一
式中£为基区平均电导率， R =q l p b N ；，N B 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 o
发射极总周长L e 作如下估计：
如有n 个发射极单元，金属薄层电阻 R D m ,电极宽Sm,则:
工程实际一般取：l eff ” 4~8S e
这里取l eff =4S e
(2)发射区和基区面积的选取
发射区小单元周长为：L e = 5二500 =41.6丄m 又知发射极有效宽度为:
n 12
S e =2S eff =4」m 故发射极长度为：l e =16.8」m
A eff =
1
CM
=0.1 x 10'4 cm 2
J
CM
这里所选的线电流密度 j cm
=也=2A/cm
L e
eff
3n S m KT
I
E R n m q
则发射区小单元数:
L e
L e n =
2 l eff S e
10S e
L e 20S eff
0.05 20 2 10*
-12
S
eff
因此，可得发射区面积A E =l e S e =67.2」m2
基区面积可取A B
=8 25 = 200」m 2
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N E -N B ，所以E-B 耗尽区宽度（W EB ） 可近视看作全部位于基区内，又由N B • N c ,得到大多数C-B 耗尽区宽度（W C B ） 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W C B > W EB 。

另外注意到W B 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：W B =W - X nEB - X nCB
其中X nEB 和X nCB 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:
C-B 结的内建电势为:
根据公式,E-B 结在基区一边的耗尽层宽度X nEB 为:
••• N E …N B ，可以当成单边突变结处理
V biEB
=0.026 ln
19
17
2.52 10
2.52 10
1010 2
1.0V V biCB
= 0.026 ln
2.52 1016 2.52 1017
(1010f
:0.826V
X pEB
2飞
-q N E
N B N E N B
1 1
卩符s%V T
V biEB
」.q N B 一
因 V CB V CBO
r 4 12 [1.6汉 10^ 汽2.52"016
一
2 11.8 8.85 10
19 2.28 10'cm=0.228「m
2 ；s >0 N C
IL
q N B N C N B
:1.97 10”cm =0.0197」m
对于准中性基区宽度 W 取基区宽度W B =1.7」m ，贝U
W 二 W B
—X
nEB —X nCB
= 1.6 - 0.228 - 0.0197 =1.45」m
验证其取值的准确性，根据公式有： 目- __________ 1 ________
dc 2
D E N B W 丄 W
D^N T L ； 2 匚
____________________ 1 ___________________ 3.9 2.52 X1017 1.2X10厘 1 ‘1.2><10丄"2 —— '氏 ---- 汶 --------- +一乂 --------- :j 14.3 2.52"0 1.97"0 2 (4.14x10 , :494
解得的B 接近于设计的要求，符合设计指标，所以基区宽度为 W B =1.7」m
满足条件0.12」m :：:W B ：：3.7」m
所以有X peB
2 11.8 8.85 10J4
1.6 10J 9
2.52 1017
16
2.52 10
2.52 1016 2.52 10
1 1
丁 0.826
&工艺版图
基区
走位孔发射区
器件总图:
L 一宦位礼
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。