功率双极型晶体管
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第五章 功率双极型晶体管
第一节 BiCMOS工艺
• BiCMOS工艺至少需要15块掩膜版 • 复杂的需要30块，虽然成本高，但是电路性能好，
并且对电路设计要求低，设计周期短。 • 典型的BiCMOS工艺与N阱CMOS工艺相比，多了
3个掩膜步骤：NBL,深N+和基区
具体步骤
• P型衬底上的一次P型外延生长 • N型埋层：开窗口后离子注入N型杂质 • 二次P型外延生长
发射极电流比是
eVBE VT
三个电阻总压降3.6mV，电流比是1.15
BiCMOS的问题更严重，因为铝线更薄。
发射极限流技术
这些电阻的大小要求在额定电流下压降为50－70mV
内去偏置
从一端到另一端的电压不应超过5mV 为减小内去偏置，可以将发射指做的短而宽
2 功率NPN晶体管的版图
• 长时间工作在正向放大区时，发射极功耗应该小于 150μW/μm2， 电流密度小于10μA/μm2。
• 开关模式工作时，电流密度小于20μA/μm2。
• 驱动MOS等纯容性负载时，脉冲时间不超过1μs，脉冲间 隔不短于250ns，电流密度小于20μA/μm2 。
叉指状发射极晶体管
拥有双极型晶体管其他任何类型版图都无法达到的高速。 易受内去偏置的影响。 采用宽发射指时，基区电阻增大，会影响开关速度。 可以通过增加深N＋的面积和更长的外围与NBL的接触，减小集电极电阻。
可用器件
• NPN晶体管
• PNP晶体管
衬底PNP晶体管
性能大体跟标准双极工艺的类似，衬底作为集电区
横向PNP晶体管
不采用NBL，β小于10；采用NBL，β可达到100以上
• 电阻
基区电阻
工艺扩展
Di BiCMOS工艺中的纵向NPN晶体管
Di BiCMOS工艺中的纵向PNP晶体管
第二节 功率双极型晶体管
• 为了增大工作电流，必须相应增大发射极面积，否则β下 降，否则电流密度太大，会出现β 的滚降。
• 不需要任何防护措施，小信号晶体管能够承受10mA的电 流和100mW的功耗。
• 通过精心设计版图，可以使晶体管能够承受10A的电流和 100W的功耗。
• 多数集成的功率晶体管工作电流不会超过2A的电流，功率 小于10W。
• N阱扩散：离子注入磷，向下推结 • 深N+区：注入高浓度的磷后，继续热推结
N阱扩散会影响PMOS和双极器件的许多参数
• 基区注入
• 沟道终止注入
• LOCOS
• 阈值电压调整
• 多晶硅淀积及光刻
• 漏/源注入
• 金属化及保护层
双金属层需要5块掩膜版：接触、一层金属、通孔、二层金属、以及保护层
• 横向PNP的面积过大，并且很难使工作电流超过500mA， 所以一般功率双极型晶体管都是NPN管。
集电极电流和发射结电压的关系：
I I eVBE VT CS
VBE
VT
ln
IC IS
• 室温（298K，即25°C）时，VT=26mV； • 发射结电压VBE为负的温度系数，约为－2mV/°C； • 发射结电压变化18mV，集电极电流就加倍； • 温度变化1°C，两个晶体管集电极电流的不匹配就达到8％，
即80000ppm/°C
结论：这种显著的温度效应对功率双极晶体管的设计具有巨大影响！
大电流衬底PNP晶体管
大电流横向PNP晶体管
1 NPN功率晶体管的失效机理
• 发射极去偏置 • 热击穿
这两个问题都是由功率晶体管中的大电流和高功耗所引起的
发射极去偏置
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
设发射极通过50mA的电流，每个电阻的方块电阻是12mAΩ/□
宽发射区窄接触孔晶体管
减小内去偏置 金属电阻较大，但适用于单层金属
圣诞树结构器件
十字形发射极晶体管
• 十字形发射极晶体管时宽发射区窄接触孔结构的一次重要的改进。 • 限流效果比传统宽发射区窄接触孔结构的限流效果要好很多。 • 发射极接触孔的面积小，紧凑设计会造成热量的集中。
第一节 BiCMOS工艺
• BiCMOS工艺至少需要15块掩膜版 • 复杂的需要30块，虽然成本高，但是电路性能好，
并且对电路设计要求低，设计周期短。 • 典型的BiCMOS工艺与N阱CMOS工艺相比，多了
3个掩膜步骤：NBL,深N+和基区
具体步骤
• P型衬底上的一次P型外延生长 • N型埋层：开窗口后离子注入N型杂质 • 二次P型外延生长
发射极电流比是
eVBE VT
三个电阻总压降3.6mV，电流比是1.15
BiCMOS的问题更严重，因为铝线更薄。
发射极限流技术
这些电阻的大小要求在额定电流下压降为50－70mV
内去偏置
从一端到另一端的电压不应超过5mV 为减小内去偏置，可以将发射指做的短而宽
2 功率NPN晶体管的版图
• 长时间工作在正向放大区时，发射极功耗应该小于 150μW/μm2， 电流密度小于10μA/μm2。
• 开关模式工作时，电流密度小于20μA/μm2。
• 驱动MOS等纯容性负载时，脉冲时间不超过1μs，脉冲间 隔不短于250ns，电流密度小于20μA/μm2 。
叉指状发射极晶体管
拥有双极型晶体管其他任何类型版图都无法达到的高速。 易受内去偏置的影响。 采用宽发射指时，基区电阻增大，会影响开关速度。 可以通过增加深N＋的面积和更长的外围与NBL的接触，减小集电极电阻。
可用器件
• NPN晶体管
• PNP晶体管
衬底PNP晶体管
性能大体跟标准双极工艺的类似，衬底作为集电区
横向PNP晶体管
不采用NBL，β小于10；采用NBL，β可达到100以上
• 电阻
基区电阻
工艺扩展
Di BiCMOS工艺中的纵向NPN晶体管
Di BiCMOS工艺中的纵向PNP晶体管
第二节 功率双极型晶体管
• 为了增大工作电流，必须相应增大发射极面积，否则β下 降，否则电流密度太大，会出现β 的滚降。
• 不需要任何防护措施，小信号晶体管能够承受10mA的电 流和100mW的功耗。
• 通过精心设计版图，可以使晶体管能够承受10A的电流和 100W的功耗。
• 多数集成的功率晶体管工作电流不会超过2A的电流，功率 小于10W。
• N阱扩散：离子注入磷，向下推结 • 深N+区：注入高浓度的磷后，继续热推结
N阱扩散会影响PMOS和双极器件的许多参数
• 基区注入
• 沟道终止注入
• LOCOS
• 阈值电压调整
• 多晶硅淀积及光刻
• 漏/源注入
• 金属化及保护层
双金属层需要5块掩膜版：接触、一层金属、通孔、二层金属、以及保护层
• 横向PNP的面积过大，并且很难使工作电流超过500mA， 所以一般功率双极型晶体管都是NPN管。
集电极电流和发射结电压的关系：
I I eVBE VT CS
VBE
VT
ln
IC IS
• 室温（298K，即25°C）时，VT=26mV； • 发射结电压VBE为负的温度系数，约为－2mV/°C； • 发射结电压变化18mV，集电极电流就加倍； • 温度变化1°C，两个晶体管集电极电流的不匹配就达到8％，
即80000ppm/°C
结论：这种显著的温度效应对功率双极晶体管的设计具有巨大影响！
大电流衬底PNP晶体管
大电流横向PNP晶体管
1 NPN功率晶体管的失效机理
• 发射极去偏置 • 热击穿
这两个问题都是由功率晶体管中的大电流和高功耗所引起的
发射极去偏置
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
设发射极通过50mA的电流，每个电阻的方块电阻是12mAΩ/□
宽发射区窄接触孔晶体管
减小内去偏置 金属电阻较大，但适用于单层金属
圣诞树结构器件
十字形发射极晶体管
• 十字形发射极晶体管时宽发射区窄接触孔结构的一次重要的改进。 • 限流效果比传统宽发射区窄接触孔结构的限流效果要好很多。 • 发射极接触孔的面积小，紧凑设计会造成热量的集中。