微波功率晶体管的设计实例2003

微波功率晶体管设计

这里设计的微波功率晶体管将用于甲类放大,其设计指标如下: 工作频率f=2GHz 功率增益Kp=10Db 效率n=40% 输出功率0P =1W 电源电压cc V =20v

1.1一般考虑 :

在

发

射

极

甲

类

运

用

时

，

根

据

图

，

晶体

管的集电极与发射极之间应当能承受的电压峰值为2cc V ，故240C E O c c BV V V ≥=。

根据式0

max 2C cc

P I V =

，最大集电极工作电流为max C I =0.2A 。 根据式O

CM P P η

=

，最大耗散功率为CM P =2.5W 。

选取最高结温jM T =150℃；环境温度a T =25℃；根据式()jM a CM T

T T P R -=

，热阻

T R =50℃/W 。

当考虑到各寄生参数和发射极整流电阻R E 对功率增益的影响后，高频优值

2p K f 可表示为

2

'8()T p ob bb E T e f K f C r R f L ππ=

++

当工作频率f=2GHz 时，要获得功率增益K p =10dB ，则特征频率f T 应该选的稍高一些。如果选取f T =3.6GHz ，则要求

12'() 3.610ob bb E T e C r R f L s π-++≤⨯

这对C ob 、r bb ’、R E 和L e 的要求是很高的。为此可考虑采取以下措施。

（1） 采用砷硼双离子注入工艺，以获得较小的基极电阻r bb ’和较小的宽度

W B 。

（2） 采用1um 精度的光刻工艺，以获得较小的发射区宽度s e ，从而降低r bb ’

和各势垒电容。

（3） 基区硼离子注入剂量不宜过低，以降低r bb ’，并保证基区不致在工作电

压下发生穿通。

（4） 采用多子器件结构，将整个器件分为四个子器件，每个子器件的输出

功率为0.25W ，

最大集电极工作电流为0.05A ，热阻为200℃/W 。这种考虑有利于整个芯片内各点的结温均匀化，从而可降低对整流电阻R E 的要求，因此可以选取最小的R E 以提高K p 。

（5） 对部分无源基区进行重掺杂而形成浓硼区，这样可减小r bb ’，同时还可

因为浓硼区的结深较深而提高集电结击穿电压。

（6） 由于输出功率并不是太大，流经发射区金属电极条的电流也不大，考

虑到梳状结构发射区的有效利用面积较覆盖结构的大，故在设计方案中采用梳状结构，这样可以因结面积的减小而使各势垒电容变小。 （7） 采用H 1型带状管壳。

1.2纵向结构参数的选取

1．集电区外延材料电阻率的选取

根据式2CEO CC BV V =

= ，得BV CEO =40V ，取β=40，则BV CBO =100V 。

近似认为集电结为单边突变结，根据式3313

24

5.210CBO G

C BV E N -=⨯，在要求BV CBO =100V 时，求得N c =5⨯1015cm ，相当于ρC =1cm Ω。 2. 基区宽度W B 的选取

在选定特征频率f T =3.6GHz 后，就要求d τ=44⨯10-12s 。在微波范围内，这个频率不算太高，这时各时间常数中占最主要地位的是b τ和d τ。当Vce=20V 时，集电结耗尽区宽度1/2(2/) 2.2C s CC C x V qN m εμ==，并取max υ=8.5⨯106cm/s ，得

12max

12.9102c d x s τυ-=

=⨯

可见d τ已接近于ec τ的1/3。若选取W B =0.25um ，并取D B =10cm 2/s ，则得

2

1215.6104B d B

W s D τ-==⨯

3. 集电结结深jc X 、发射结结深je X 及其杂质浓度的选取

采用砷硼双离子注入工艺可不考虑发射结区陷落效应。根据常规，在基区宽度B W 不太小时，可取/je B x W =1，即选取je x 为0.25m μ，jc x 为0.5m μ。这样已足够避开外延层的表面损伤层。

为了满足jc x =0.5m μ，选取基区的硼离子注入能量1E =60keV ，注入剂量

1

B N

=8

132

10cm -⨯。由下表查的

，

硼和砷离子注入硅中时的能量与相应的Rp. p R ∆的值

52.3410P R cm -=⨯ ，67.5210P R cm -=⨯ 。

由式B

mB N R π=

，得注入硼的最大浓度为1834.2510mB N cm -=⨯。 由式12

2ln()mB jc P P C N x R R N ⎡⎤

=⎢⎥⎣⎦ ，得集电结结深为0.51jc x m μ=，于是得发

射结结深为0.26je x m μ=。

由式222

()()()

exp 2je mB je P je P je x x P P N x R x R dN x a dx R R =⎡⎤--=-=-⎢⎥⎢⎥⎣⎦

，的发射结处的杂质浓度梯度为

2341.8310je a cm -=⨯。再由式

22

()1

exp 22()2jc jc

x P B x mB jc jc

P B

jc jc P x R N N dx x x R x R x R N

erf erf x x R ⎡⎤

-=

-⎢⎥-⎣⎦⎡

⎤

⎛⎫

⎛⎫-=-⎢⎥

⎪ ⎪⎪ ⎪-⎢⎥⎝⎭⎣

⎦

⎰

，得基区平均杂质浓度为183

1.1610B N cm

-=⨯。 发射区正下方的有源基区方块电阻为

111

()()jc

je

B x B P jc je

P B x

R q x x N q N x dx μμ==-⎰ 取基区空穴迁移率2120/P cm V s μ=，得31

1.7610B R

=⨯Ω。

发射区与浓硼区这间的无源基区方块电阻为

3

20

1 1.310()jc

B x P B R q N x dx

μ==⨯Ω⎰

式中，

132

() 4.0102jc

x B

B x R N N x dx erf cm -⎛⎫-==⨯ ⎝⎰

对于浓硼区的集电结结深'jc x ，可初步选取为1m μ左右。当浓硼的注入能量为3140E keV =，注入剂量为1523

210B N cm -=⨯时，' 1.03jc x m μ= ，其方块电阻

为3

5B R

=Ω。

对于发射区，砷注入的表面浓度203510ES N cm -=⨯。