PNP双极型晶体管的设计

目录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.物理参数设计 (3)4.1 各区掺杂浓度及相关参数的计算 (3)4.2 集电区厚度Wc的选择 (6)4.3 基区宽度WB (6)4.4 扩散结深 (10)4.5 芯片厚度和质量 (10)4.6 晶体管的横向设计、结构参数的选择 (10)5.工艺参数设计 (11)5.1 工艺部分杂质参数 (11)5.2 基区相关参数的计算过程 (11)5.3 发射区相关参数的计算过程 (13)5.4 氧化时间的计算 (14)6.设计参数总结 (16)7.工艺流程图 (17)8.生产工艺流程 (19)9.版图 (28)10.心得体会 (29)11.参考文献 (30)PNP 双极型晶体管的设计1、课程设计目的与任务《微电子器件与工艺课程设计》是继《微电子器件物理》、《微电子器件工艺》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。

要求我们根据给定的晶体管电学参数的设计指标，完成晶体管的纵向结构参数设计→晶体管的图形结构设计→材料参数的选取和设计→制定实施工艺方案→晶体管各参数的检测方法等设计过程的训练，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，β=120，V CEO =15V,V CBO =80V.晶体管工作于小注入条件下，最大集电极电流为I C =5mA 。

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 B , 和N C ,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 c ， 基本宽度W b ，发射区宽度W e 和扩散结深X jc ,发射结结深X je 等。

（4）根据扩散结深X jc ,发射结结深X je 等确定基区和发射区预扩散和再扩散的扩 散温度和扩散时间；由扩散时间确定氧化层的氧化温度、氧化厚度和氧化 时间。

（5）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、 发射区和金属接触孔的光刻版图。

（6）根据现有工艺条件，制定详细的工艺实施方案。

4、物理参数设计4.1 各区掺杂浓度及相关参数的计算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4313106-⨯=）（BC B N V ， 由此可得集电区杂质浓度为：34133413)1106106CEOn CBOC BV BV N β+⨯=⨯=（）（由设计的要求可知C-B 结的击穿电压为： V BV CBO 80= 根据公式,可算出集电区杂质浓度：31534133********.6)80106106-⨯=⨯=⨯=cm BV N CBO C （）（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:B EC B N N N N 100,10==即各区的杂质溶度为：31831631510814.610814.610814.6---⨯=⨯=⨯=cm N cm N cm N E B C ，，图1 室温下载流子迁移率与掺杂浓度的函数关系（器件物理P55）根据图1，得到少子迁移率：s V cm ⋅==/13002n C μμ s V cm P B ⋅==/3302μμ s V cm N E ⋅==/1502μμ根据公式可得少子的扩散系数：scm q kT D scm q kT D s cm q kTD E E B B C C /90.3150026.0/58.8330026.0/8.331300026.0222=⨯===⨯===⨯==μμμ图2 掺杂浓度与电阻率的函数关系（器件物理P59）根据图2，可得到不同杂质浓度对应的电阻率：cm C ⋅Ω=17.1ρ cm B ⋅Ω=1.0ρ cm E ⋅Ω=014.0ρ图3 少子寿命与掺杂浓度的函数关系（半导体物理P177）根据图3，可得到各区的少子寿命E B C τττ和、s C 6105.3-⨯=τ s B 7109-⨯=τ s E 6101.1-⨯=τ根据公式得出少子的扩散长度：cmD L cmD L cm D LE E E B B B C C C 3637261007.2101.190.31078.2100.958.81009.1105.38.33------⨯≈⨯⨯==⨯≈⨯⨯==⨯≈⨯⨯==τττ4.2 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：um 91.3101.39]10814.6106.1808.111085.82[]2[521151914210=⨯≈⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯==〉---cm qN BV X W C CBO S mBC εεW 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 =8μm 4.3 基区宽度WB （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][122nbB L W λβ=，因此基区宽度的最大值可按下式估计：212][βλnb 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：()um08.51008.51201078.24][423212mas =⨯≈⨯⨯==--cm L W nb B βλ，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 80=，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：()()um373.010373.0]8010814.610814.610814.610814.6106.11085.88.112[]2[]2[421151615161914210210min ,=⨯≈⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=+=+=---cm BV N N N qN BV N N N qN X CBO C B C B S CBO A D AD S B εεεε 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 μμ08.5373.0<<（3）基区宽度的具体设计与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，它在平衡时的结构图如下所示：图4 平衡条件下的PNP 三极管的示意图具体来说，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PNP 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 biEB938.0)10(10814.610814.6ln 026.0ln 21016182=⨯⨯⨯⨯== C-B 结的内建电势为：V n N N q kT V i B C biCB758.0)10(10814.610814.6ln 026.0ln 21016152=⨯⨯⨯⨯== 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()2121022⎥⎦⎤⎢⎣⎡≈⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=biEB B o s biEB B E B ES nEB V qN K V N N N N q K X εεum 134.01034.110814.6106.1938.01085.88.112521161914=⨯≈⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=---cmC-B 结在基区一边的耗尽层厚度nCB x 为：()210)-(2⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=CB biEB B C B CS nCB V V N N N N q K X ε0W n n =--=CB EB B X X W ，则穿通时有()()V N N N N q K X WV V B C B CS EB B CBCB 242.1444614447758.02-02n max ,bi -=-=+-=⇒εCBO CB V V >>则 ()2102⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=biEB B C B C S nCBV N N N N q K X ε所以有()um0363.010363.0758.010814.610814.610814.610814.6106.11085.88.112521161516151914=⨯≈⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=---cm对于准中性基区宽度W ，取基区宽度um 5.3=B W ，则 um X X W W CB EB B 33.30363.0-134.0-5.3n n ==--= 验证其取值的准确性，根据公式有：2211⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=B E E B B E dc L W L W N N D D β1261078.21033.3211007.21033.310814.610814.658.89.31234341816≈⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯⨯=----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 μ5.3=， 满足条件m W m B μμ08.5373.0<<。