微波低噪声晶体管设计复习课程.doc

Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。微波低噪声晶体管设计-毕业设计论文微波低噪声晶体管设计教学单位:电子信息学院专业名称:电子科学与技术（IC设计）学号:学生姓名:指导教师:指导单位:微电子技术系完成时间:2011年5月10日电子科技大学中山学院教务处制发-电子科技大学中山学院毕业设计（论文）任务书题目名称微波低噪声晶体管设计设计（撰写）内容本次毕业设计的内容和要求：1、通过阅读文献资料，掌握微波低噪声晶体管的工作原理、基本结构、制造工艺和性能特点。2、掌握微波低噪声晶体管的设计方法和设计工具。3、完成性能达到规定指标的微波低噪声晶体管的纵向参数设计、横向参数设计、版图设计和工艺设计。预期目标本次毕业设计预期目标，是针对我国在通信系统方面的要求，设计出能达到下列指标的微波低噪声晶体管：工作频率f=2GHz，最大耗散功率PCM=30mW，最大工作电流ICmax=10mA，电源电压VCC=6V，噪声系数NF<2.5dB，功率增益Kp=7dB。成果形式论文设计（撰写）地点电子科技大学中山学院起止时间2010年12月10日至2011年5月10日指导单位微电子技术系指导教师2010年12月1日审核意见审核签名年月日电子科技大学中山学院毕业设计（论文）成绩评定表设计（撰写）过程评语：指导教师：年月日成绩论文评阅评语：评阅教师：年月日成绩论文答辩评语：答辩组长：年月日成绩总分审核人：年月日微波低噪声晶体管设计摘要微波低噪声晶体管是通信系统接收端的关键电子器件，广泛应用于雷达、通信、卫星、导弹等领域内，对经济和军事领域的发展都有极其重要的意义。微波低噪声晶体管其主要参数指标为高的频率特性和低的噪声系数，本文首先对晶体管的频率和噪声等方面的特性进行了理论分析，在此基础上，根据设计指标，进行了微波低噪声晶体管的纵向结构参数、横向结构参数等的计算和选取，并对特征频率、噪声系数、功率增益等主要参数进行了核算，结果为=3.63GHz、=2.45、=6.5dB，验证了该设计基本达到设计要求；在结构方面，采用了具有缓冲基区的结构；在图形方面，采用梳状结构；最后给出亚微米发射区宽度微波低噪声晶体管的工艺流程，并画出了所设计的微波低噪声晶体管的图形。关键词：微波；低噪声；缓冲基区；梳状结构TheDesignofMicrowaveLow-noiseTransistorAbstractThelow-noisymicrowavetransistoristhepivotaldeviceofthesinkofcommunicationsystems.Itiswidelyappliedtoradar,communications,satellite,missilery,etc.Anditisveryimportancetothedevelopmentbothofeconomyandmilitary.Theprimaryparametersofthelow-noisymicrowavetransistorarehigh-frequencyandlow-noise.Thispaperfirstlyanalyzedthetransistorsspecialistoffrequency,powerandnoise.Onthisbasis,basingtotheindexofthedesign,itchosetheparametersoflengthwaysandtransversestructureofthetransistor.Thenitaccountedtheprimaryparametersandtheresultare:fT=3.63GHz,NF=2.45dB,KP=6.5dB.Itvalidatedthedesignisachievetotheplanrequest.Inthestructuralaspect,itadoptedthestructurewhichhasbufferbasis.Inthefigureaspect,itadoptcomb.Atlastitgaveflowsoftheprocessofthelow-noisymicrowavetransistor,anddrawnthecell-picturedesigned.Keywords:microwave;low-noise;bufferbase;combstructure目录1绪论11.1微波低噪声晶体管概述11.2微波低噪声晶体管的发展历程及现状11.3本文研究的主要内容22晶体管设计理论42.1晶体管的频率特性42.1.1电流放大系数与频率的关系42.1.2晶体管的特征频率52.1.3晶体管的高频优值62.2晶体管的噪声特性82.2.1噪声与噪声系数82.2.2晶体管的噪声源82.2.3噪声系数与频率、工作电流的关系92.2.4晶体管的最小噪声系数102.3晶体管的耗散功率102.3.1耗散功率和最高结温102.3.2热阻和最大耗散功率113微波低噪声晶体管设计123.1晶体管设计方法123.2系统设计133.3纵向结构参数的选取143.3.1外延层电阻率和集电区宽度的选取143.3.2基区宽度的选取153.3.3集电结结深、发射结结深的选取153.3.4砷离子注入表面浓度与外延层厚度的选取173.4横向结构参数的选取183.4.1图形结构的选取183.4.2单元发射极条宽、条长和条数的选取183.4.3基区面积（集电结面积）的选取193.5主要参数的核算193.5.1特征频率193.5.2噪声系数213.5.3功率增益224微波低噪声晶体管的制造工艺和版图设计234.1制造工艺234.2版图设计245结论27参考文献28致谢291 绪论1.1微波低噪声晶体管概述微波低噪声晶体管的主要参数指标为高的频率特性和低的噪声系数。微波晶体管是指在微波波段工作的晶体管，微波波段指频率在300MHz3000GHz的电磁波谱，其工作频率较高。由于工作频率高，微波晶体管必须具有微米或亚微米的精细几何尺寸。随着薄层外延技术、浅结扩散或离子注入技术、投影曝光、远紫外曝光、X射线曝光、电子束曝光等微细加工技术的发展，微波晶体管的工作频率、功率和低噪声性能已得到提高。按功能分，微波晶体管包括微波低噪声晶体管和微波大功率晶体管。按结构分类，微波晶体管可分为双极型晶体管和场效应晶体管。噪声是干扰有用信号的某种不期望的无规则扰动。或者说，噪声是完全无规则变化的电流(或电压)，是一种围绕统计平均值的宏观量的起伏。从本质上说，晶体管的噪声是由晶体管内大量带电微粒(载流子)的无规则运动所引起的。晶体管的噪声决定了晶体管所能放大的微弱信号的下限，本文设计之噪声系数为小于2.5dB。微波低噪声晶体管是通信系统接收端的关键电子器件，在军用、民用电子设备中有着广泛的应用，其典型应用主要在通讯、雷达（含导航）和电子对抗等领域。微波晶体管工作在较高频率下，若噪声越低，接收机的灵敏度越高，这些系统的作用距离就越大。对经济和军事领域的发展都有极其重要的意义。1.2微波低噪声晶体管的发展历程及现状晶体管的发明，开创了一个新时代，可以说，它是打开信息时代大门的金钥匙。1947年，发明第一只点接触式Ge晶体管；1948年，发明结型晶体管；50年代，晶体管得到大发展（材料由Ge®Si）；20世纪60年代硅平面工艺的兴起，使硅双极晶体管取得了长足的进步，随后各种不同频率、不同规格的晶体管相续被研制出来。在二十世纪八十年代以前，微波晶体管主要是应用在军事和空间领域中，但近年来随着民用通信技术的发展，特别是无线通信技术的进步，已使得微波晶体管比以往任何时候都引人注目。异质结器件是在20世纪80年代发展起来的新型半导体材料，在80年代末获得了突破性进展，表现出良好的高频性能，其研究领域也越来越广泛，因而逐渐受到人们的重视。与硅双极结晶体管相比异质结晶体管速度更快，噪声更低，功耗更小，是微波功率所必需的器件。微波/毫米波因具有波长短、波束窄、频带宽、穿透能力强等一系列特点，从而使其器件和电路处在当今微电子技术的重要发展前沿。微波/毫米波器件及其电路的地位日渐提高，以致使它成为突破或制约尖端技术的关键，已引起美国、日本、西欧等国家的极大关注。早在1990年美国就把微波半导体功率器件及其电路列为国家发展战略的核心技术，投入大量的人力、物力、财力制定计划并组织实施，微波/毫米波器件及其电路的应用领域，大量集中在雷达、通信、电子战等方面。表1-1波段的划分波段名称波长范围频率范围频段名称超长波10010km330kHz甚低频VLF长波101km30300kHz低频LF中波1000200m0.31.5MHz中频MF短波20010m1.530MHz高频HF超短波101m30300MHz甚高频VHF微波分米波10010cm0.33GHz特高频UHF厘米波101cm330GHz超高频SHF毫米波101mm30300GHz极高频EHF亚毫米波10.1mm3003000GHz超极高频硅微波低噪声晶体管70年代进入X波段（16101700kHz）后，便已接近极限水平，其频率和低噪声性能与迅速发展起来的GaAsMESFET和HEMT相比，相形见绌，但在高频和微波频率低端仍有一定市场。因为5GHz以下Si器件的输出功率比其他固态器件高，所以目前在微波频率低端的微波大功率发射器件中，Si晶体管仍是大功率应用的优选器件。因器件结构和工艺技术已经成熟，国外已从80年代开始不再进行研究性投资，而进行产品性开发，并将工作频率推向S波段(24GHZ)。目前从303000MHz，已有数百种不同规格的产品，分别适合于脉冲、连续波、线性、振荡等不同的应用场合1。晶体管是构成各种复杂电子系统的基本元件，晶体管的各项性能指标直接决定了整机系统的工作指标，所以这就对微波晶体管的设计制造提出了苛刻的要求。微波一般是指300MHz3000GHz，表1-1为波段的划分2，本文设计的晶体管工作频率为2GHz，属于微波段。1.3本文研究的主要内容不同的电子设备和电子线路对晶体管的功能都有不同的要求。除了对直流特性都有一定的要求外，在其他特性方面，则往往只对其中的某几种特性有要求。从晶体管的发展趋势来看，总是向着提高工作频率、增大输出功率、降低噪声、提高开关速度、提高可靠性和降低成本等方面发展。从设计的角度看，各种特性之间存在着许多相互制约的矛盾。晶体管的设计就是要很好的处理这些矛盾，将所要求的几种特性在一个晶体管中得以实现。具体来说，就是在理论的基础上，结合实际工艺条件进行全面的分析考虑，从中找出折中的方案。要指出的是，对于一个晶体管的设计不可能做到面面俱到，十全十美，而是必须要有所侧重，突出满足一些主要特性，牺牲一些次要特性。同时还要注意尽量采用工艺制造难度小的设计方案，以提高成品率，降低制造成本。微波低噪声晶体管在目前仍有一定的市场，其主要参数指标为高的频率特性和低噪声系数，然而功率、频率与低噪声之间的矛盾自始至终都一直存在，如何在保证一个参量一定的工作指标下，尽量提高另一个参量的工作指标，这一直是器件设计者必须要考虑的问题。本文将按照设计工作指标完成一个微波低噪声晶体管的初步设计。本次毕业设计预期目标，是针对我国在通信系统方面的要求，设计出能达到下列指标的微波低噪声晶体管：工作频率f=2GHz，最大耗散功率PCM=30mW，最大工作电流ICmax=10mA，电源电压VCC=6V，噪声系数NF<2.5dB，功率增益Kp=7dB。2晶体管设计理论微波低噪声晶体管广泛应用于雷达、通信、卫星、导弹等领域内，其主要参数指标为高的频率特性和低噪声系数，本章将介绍晶体管的频率和噪声等方面的特性。2.1晶体管的频率特性2.1.1电流放大系数与频率的关系以、和分别代表高频小信号的发射结注入效率、基区输运系数、共基极和共发射极电流放大系数，它们都是角频率的函数，而且都是复数。对极低的频率或直流小信号，即当0时，它们分别成为、和。随着信号频率的提高，和的幅度会减小，相角会滞后，如图2-1示。图2-1高频下电流放大系数的降低以PNP管为例，高频小信号电流从流入发射极的到流出集电极的，会发生如下变化：图2-2高频小信号电流在晶体管中的变化输出端对高频小信号短路时的集电极电流与发射极电流之比为共基极高频小信号短路电流放大系数，记为，即(2-1)基区中到达集电结的少子电流的高频小信号分量与从发射区注入基区的少子形成的电流中的高频小信号分量之比，称为高频小信号基区输运系数，记为。对于PNP管，为=。基区输运系数随频率变化主要由少子经过基区的渡越时间引起，因此，我们从渡越时间的作用来分析频率特性。从发射结注入基区的少子，由于渡越基区需要时间，对输运过程发生三方面的影响：（1）复合损失使（2）时间延迟使相位滞后（3）渡越时间的分散使减小。(2-2)式中，代表复合损失，代表相位的滞后，代表的分散使的减小。上面式子是从直流情况下直接推广而来的，但是在交流情况下，从发射结注入基区的少子电荷要延迟一段时间后才会在集电结产生集电极电流3。考虑延迟时间后，虽然少子在基区内持续的平均时间是，但是只有其中的时间才对有贡献，(2-3)此时输运系数的准确表达式为(2-4)称为超相移因子，可表为，对于均匀基区2.1.2晶体管的特征频率当电流放大倍数降为1时的频率称为特征频率，记为。(2-5)小电流时，随着或的增大，减小，使提高，所以在小电流时随电流的增大而提高。但是当电流很大时，的影响变小甚至可以略去。大电流时，当基区发生纵向扩展时，使基区渡越时间增加。同时集电结势垒区厚度将减小使集电结势垒区延迟时间变小。但是的增加要比的减小大得多，图2-3随的变化而且集电结势垒区厚度的减小将导致增加，所以在大电流时随电流的增大而降低。特征频率的准确表达式为(2-6)其中，：发射极-集电极总的渡越时间：发射区延迟时间，：发射结势垒充放电时间常数：集电结势垒电容经基极充放电时间常数，：基区平均渡越时间，大注入时：基区渡越时间修正量，：集电结势垒电容经集电区充放电时间常数，：集电结耗尽层延迟时间，由此可见，要提高，应尽量使各时间常数减小，这要求：1：基区宽度尽量减小，一般在0.10.25之间。过小的会由于基区宽度的调制效应而降低线形度和耐二次击穿能力。2：发射结结深应浅，一般在0.10.25之间。3：集电区掺杂浓度应较高，以减小集电结耗尽层延迟时间；但应兼顾耐压要求。4，：发射结势垒电容和集电结势垒电容要求小。因而发射结的面积和集电结的面积要小。因此要求具有较高的发射极图形优值和集电极图形优值。5：集电极的电阻要小，同时要小，一般集电极采用双层外延层。6：共射极短路电流放大系数应较大，因而发射区掺杂重于基区，但也不宜过度。否则能带变窄，下降，注入效率变低，结漏电流增加。7：发射极串联电阻应小因而应减小电极电阻和接触电阻，设计适当镇流电阻4。2.1.3晶体管的高频优值晶体管最大功率增益为(2-7)可见，信号频率每加倍，最大功率增益降到，或下降6分贝。功率增益与频率平方的乘积称为高频优值，记为(2-8)高频优值也称为功率增益-带宽乘积，是综合衡量晶体管的功率放大能力与频率特性的重要参数。当下降到1时的频率称为最高振荡频率，记为。令=1，可得(2-9)下面对提高高频优值作进一步分析，(2-10)在微波晶体管的设计中，为了提高高频优值，不能仅仅局限于单独提高和减小以及，而是使作为一个整体尽可能的大。下面从分析基极电阻及以上对的分析，总结出提高的方向。对于微波低噪声晶体管，通常采用多基极条（梳状图形）结构。对于此结构晶体管(2-11)其中，:发射条数目：发射区长度：发射区条宽：发射区基区间距：有源基区方块电阻：无源基区方块电阻为与图形有关的常数，其值为：(2-12)根据推导可知，(2-13)其中，：硅介电常数，：集电区耗尽层宽度：集电区图形优值发射区总周长将式（2-13）代入（2-10），并利用的关系，得(2-14)其中，为有源基区的平均电阻率。从式（2-14）可以看到，提高的途径是：减小发射区宽度，可以提高特征频率和减小基极电阻，但这将受到光刻精度的限制，因此为了提高成品率，除非必要，否则不应选取较小的；选取集电区图形优值较大的图形；选取常数较小的图形；提高基区杂质浓度以减小，但这将受到发射结注入效率的限制，增大基区杂质浓度，虽会使加大，但在高频和微波功率管中在中所占的比例较小，故减小对提高是有利的，同时增大会减弱发射极电流集边效应，使亦随之增大，有利于提高输出功率5。2.2晶体管的噪声特性2.2.1噪声与噪声系数噪声是干扰有用信号的某种不期望的无规则扰动。或者说，噪声是完全无规则变化的电流（或电压），是一种围绕统计平均值的宏观量的起伏。从本质上说，晶体管的噪声是由晶体管内大量带电微粒（载流子）的无规则运动所引起的。晶体管的噪声决定了晶体管所能放大的微弱信号的下限，我们要求晶体管的噪声越小越好。实际上，噪声的大小总是相对于信号的大小而言的，信号功率和噪声功率之比称为信噪比，所以通常用晶体管的输入信噪比与输出信噪比的比值来表示品体管的噪声特性。此比值称为晶体管的噪声系数，即(2-15)式中，为输入信号功率为输入噪声功率为输出信号功率为输出噪声功率习惯上常用分贝(dB)来表示噪声系数，记为，它定义为图2-4噪声系数的频率特性晶体管的噪声与频率的关系如图2-5所示。当时，随着频率的降低，噪声系数以每倍频程3dB的速度上升，即频率减小一半，增加一倍，增加3dB。这是由于在低频时，主要是噪声。对于一般高频晶体管大致在500Hz到1200Hz之间。在范围内，与频率无关，这一范围内的噪声称为白噪声。当时，随着频率的增高，噪声系数以每倍频程6dB的速率上升，即频率每加倍，乘4，增加6dB。增大的主要原因是晶体管的功率增益随频率的增加而下降的缘故。在使用晶体管时，一般不应使工作频率大于。2.2.2晶体管的噪声源在晶体管中，有三种噪声源：热噪声、散粒噪声和噪声6。1、热噪声，由载流子的无规则热运动引起的电流起伏，是晶体管中的一种噪声源，这种噪声源称为热噪声源。温度越高，载流子的热运动就越剧烈，起伏也就越明显，热噪声也就越大。由热运动产生的电流起伏将在电阻上产生噪声电压和噪声功率。电阻越大，产生的噪声电压和噪声功率也就越大。实践表明，在热噪声中，各频率分量的噪声功率相等，因此热噪声是白噪声。在高频段，认为晶体管中的热噪声主要是由基极电阻产生的，由产生的热噪声电压的均方值正比于，因此，要减小晶体管的热噪声，就必须减小基极电阻。2、散粒噪声，当晶体管加上偏置电压就有电流流通，从而使晶体管产生另外一种噪声，称为散粒噪声，其主要来源有两方面：（1）多子越过发射结势垒进入基区后转变为少于，并以扩散和漂移两种方式向集电结运动。在运动过程中，少于与晶格及多子发生碰撞后，就要无规则地改变其方向，引起电流的起伏，这是产生散粒噪声的第一个原因。但是在微波晶体管中，由于基区宽度较小，少子在运动过程中只经过几次碰撞就越过了基区，因此在扩散过程中用统计方法来计算起伏就可能不再适用了。（2）注入基区的少子有一部分将在基区与多于复合，同时通过晶格的热激发将产生电子-空穴对，由于这种净复合率的起伏使集电极电流产生起伏，这是产生散粒噪声的第二个原因。3、噪声，频率大致在1200Hz以下时，晶体管的噪声将随频率的降低而增大，并与频率成关系，通常等于1，但对不同的器件，可取0.81.3。并且发现，噪声越大，可靠性越差。虽然目前还不能确切地了解噪声产生的原因，但从实验来看，大致有两方面：（1）由于晶体管在制造过程中的表面损伤在表面会形成所谓界而态，随着晶体管周围气氛的变化和外加电场的影响，被电子所占据的界面态数将出现无规则的起伏，这就引起表面和体内电导受到无规则的调制，从而产生了噪声。（2）由于晶格缺陷，起复合中心作用的杂质在PN结中缺陷处的沉积时，会使PN结漏电流增大，从而使噪声增大。为了减小晶体管的噪声可以从两方面着手。（1）采用完美晶体工艺以减少晶体缺陷，并防止在制造过程中引入起复合中心作用的杂质。（2）改善表面处理，减少界面态密度。2.2.3噪声系数与频率、工作电流的关系噪声系数和频率的关系如图2-6示，频率称为转角频率，其定义是噪声系数为白噪声系数二倍频时的频率，或者说是噪声系数较白噪声系数高3dB时的频率。噪声系数随频率的变化大致可分为三个区域：（1）当<<，这一区域称为白噪声，在此区域内与频率无关。在设计晶体管时，降低白噪声的主要措施是减小和增大。（2）在附近有一过渡区，在该区域内，噪声系数随频率的增高逐渐上升。（3）当>>，这一区域成为（6dB/倍频程）区，在此区域内，频率每提高一倍，噪声系数增加6dB。在实际使用晶体管时，为了避免噪声系数过高，一般不使工作频率大于，故为了提高工作频率，就要求提高。由于，在设计晶体管时，提高最有效的措施是提高共基极截至频率。在工作频率一定时，与的关系如图2-7所示，在（或）为某一最佳值时，具有最小值。图2-5噪声系数与频率的关系图图2-6晶体管与的关系示意图2.2.4晶体管的最小噪声系数推导过程比较复杂，详情请参阅文献3，这里仅给出结果：(2-16)式（2-16）中，(2-17)在频率低于3GHz的范围内，由式（2-16）计算得到的理论值与实际测量值符合得很好。2.3晶体管的耗散功率2.3.1耗散功率和最高结温当晶体管工作时，电流通过发射结、集电结和集电极串联电阻都会产生功率耗散。若直流电源提供给晶体管的功率是，则输出功率。用表示晶体管的转换效率，则，因此输出功率（2-18）从上式看出，电路的输出功率受晶体管本身耗散功率限制，若希望得到较大的输出功率，就要选用耗散功率较大的晶体管。集电结温度随着耗散功率的增加而上升，当温度升高到基区的本征载流子浓度接近其杂质浓度时，PN结的单向导电性被破坏，晶体管失去作用。因此，定义最高结温是由基区转变为本征导电的温度限定。对于硅管，最高结温在150200。2.3.2热阻和最大耗散功率描述晶体管散热能力大小，一般用热阻表示。同电阻相似，任何两点间的温差与其热流之比，称为两点间热阻。热阻取决于传热物体的热导率与几何形状，对于一定形状的均匀物质，正比于传热路径的长度，反比于传热路径的横截面积，可写成（2-19）其中，比例系数和分别代表传热物体的热阻率和热导率，它们只取决于传热物体是何种物质，而与其形状无关1。晶体管的最大耗散功率即当结温达到最高允许结温时所对应的耗散功率。稳态时，晶体管的最大耗散功率（2-20）其中，为外界环境温度。所以，提高晶体管最大耗散功率的主要措施是降低晶体管的热阻；选用高的材料，一般大功率管都采用硅材料；另外尽量降低使用温度6微波低噪声晶体管设计晶体管可用于各种电路，不同电路对晶体管功能的要求各有不同，除对直流特性都有所要求外，对其它特性的要求，则只有其中的某几种。例如，高频低噪声管侧重要求的是频率特性和噪声特性。从设计角度来看，各种特性之间存在着许多矛盾，相互制约。晶体管的设计就是要将所要求的几种特性综合起来，使其能在一个晶体管中得以实现。因此，必须很好地处理这些矛盾，根据前面的理论，结合工艺条件全面分析考虑，从中找寻出在工艺上能够实现的折衷方案。3.1晶体管设计方法要完成一个晶体管的设计需要掌握两方面的内容：一是使用要求，二是生产工艺水平。在充分分析电学参数和工艺水平的基础上，就可以开始进行晶体管的初步设计，其内容主要有以下几个方面：1、纵向结构设计，即材料和扩散参数的设计。包括：基片的电阻率和厚度；外延层的电阻率和厚度；集电极结深；发射结结深；淡硼基区扩散表面浓度；浓硼区扩散表面浓度；发射区扩散表面浓度等。2、横向参数设计，即管芯图形设计。包括：几何图形的选择和决定；发射极条长和条宽；发射极条的数目；基极欧姆接触条与发射极边缘间的最小距离；发射区面积；集电极面积。3、热学设计和管壳选择。包括：最高结温；热阻；管壳选取等，亦要同时考虑管芯散热的均匀性和管芯安装等问题。晶体管的设计一般包括如下步骤：第一步，根据电学参数的指标要求和工艺水平，利用现有的经验，初步确定晶体管的基本结构和结构参数，设计出初步方案。第二步，运用晶体管原理的理论对初步方案进行核算与验证，并对初步方案进行适当的调整。由于前面的理论多数是建立在理想的情况下的，即使考虑到实际情况也是采用了简单的模型，而在制造的过程中将会遇到很多难以预料的因素使其偏离原先的设计方案。所以对晶体管的设计不应期望一次成功。在设计中应该考虑结合实际情况，不必在理论计算中追求太高的精度，尽量采用经验公式或经验数据。第三步，应用计算机对初步设计出来的晶体管进行器件模拟和工艺模拟，并根据模拟结果继续对设计方案进行调整，直到基本满足设计要求。第四步，小批量试制，对试制出来的样管进行测试，在分析并总结测试中发现的问题后，再对设计方案作进一步的修改与模拟，做出新的设计方案。第五步，根据修正后的新方案进行在试制。这样不断修改，不断完善，直到全面满足设计要求，最后进行产品定型6。事实上，由于当前CAD功能的日益强大，已大幅减少设计过程中的试制次数，有时甚至能一次试制成功。本文只进行晶体管设计过程的第一步和第二步。前面已介绍了进行晶体管设计的一般步骤和主要内容，下面将结合第二章中晶体管的频率、功率和噪声等方面的特性，设计出达到下列指标的微波低噪声晶体管：工作频率，最大耗散功率，最大工作电流，电源电压，噪声系数，功率增益。3.2系统设计由于微波低噪声晶体管的输入讯号很小，不需要在高电压和大电流的工作状态；相反，为了获得最小噪声系数，微波低噪声管应该工作在最佳工作电流。一般情况下大致在1-3mA范围内。因此它对极限参数的要求很低，对直流参数的要求也不高。降低和提高可以降低，但降低和提高在某些方面是相互矛盾的。这是因为高的要求窄的基区宽度，窄基区宽度必然导致较大的。基区杂质浓度高有利于降低，但这增大了发射结势垒电容，从而使下降，另一方面使注入效率下降（下降）从而使增大。由此可见，高的晶体管一定较大，反之低的晶体管就一定较小。在微波低噪声晶体管的设计中就必须合理折衷考虑。高大的晶体管其白噪声大而转角频率高。低小的晶体管其白噪声小而转角频率低，如图3-1所示图3-1不同晶体管的和的关系示意图1.的选择在一般情况下，选取。（1）对于工作频率很高的晶体管，为了满足，则在制造过程中将受到工艺水平的限制，故应适当地取小些。（2）如要求特别小的噪声系数，如11.5dB时，就必须取较大（例如）并尽量减小才能实现特别低的噪声。（3）对于工作频率较低的晶体管，可以选得比1.7更大些，若工艺上没有困难，将有利于降低噪声系数。本次设计指标的工作频率=2GHz，选取=3.4GHz。2.结构的选择用自对准工艺制作的微波低噪声晶体管，其发射区有效宽度小于1mm。这种结构有三方面的缺点。第一，在发射区宽度为1mm或更小时，很低(<20)，而相同工艺条件制作的宽发射区结构中则能大于100。窄发射区结构的之所以低，其主要原因是由于浓硼区杂质的横向扩散。第二，制作过程中发射极-基极穿通现象严重。第三，发射结击穿电压较低。采用图3-2所示的具有缓冲基区的结构可以克服以上三方面的缺点。一般缓冲基区的表面浓度选得比浓硼区的表面浓度低50倍。衬底采用电阻率为0.001掺锑的n型硅单晶片。图3-2具有缓冲选区的微波低噪声晶体管3.3纵向结构参数的选取3.3.1外延层电阻率和集电区宽度的选取为了减小和，在设计中采用正常工作时集电区穿通这一典型方法。在微波低噪声晶体管中，和两时间常数已不能再忽略。为了减小时间常数，一般在满足集电结击穿电压的条件下，使集电结处于正常工作电压时，集电结的耗尽区正好扩展在外延层衬底，即外延层穿通，此时具有最小值。同时集电结势垒电容亦具有最小值。工作电压不应超过的1/4。这样设计微波低噪声管集电区的依据是：第一，在工作电压时集电区刚好穿通；第二，取工作电压等于。在图中画出1、2、5、10、20、50、100V各直线和1.0×105V/cm直线，就构成了工作于集电区穿通情况下的集电区设计图，如图3-3示。由所选取的工作电压及其对的要求，就可由和两直线的交点查出相对应的和。这样设计的集电区在工作电压为时集电区刚穿通并保证为的5倍。图3-3工作于集电区穿通情况下的集电区设计图根据设计指标，由(3-1)=2=2×6V=12V，取=80，=4，=2=36V，工作电压()=7V。根据图3-3，由7V和1.0×105V/cm两直线交点查得5×1015cm-3和1.4mm。根据，代入和，得。3.3.2基区宽度的选取在选定特征频率=3.4GHz后，就要求46.8×10-12s，在微波范围内，这个频率并不算太高。取8.5×106cm/s，在选定以后，就随之决定了：(3-2)采用砷硼双离子注入工艺可不考虑发射区陷落效应，考虑到光刻精度，初步选取0.2mm，这样对其它的时间常数则可放宽些要求。因10cm2/s，则10×10-12s。3.3.3集电结结深、发射结结深的选取在基区宽度选取后，就有：。由于外延层不可避免地存在机械损伤层，若太浅，则发射结甚至两个结就有可能位于机械损伤层，这将导致反向击穿电压降低，同时，由于太浅将会由于从基区注入发射区的空穴电流增加而使得注入效率减小。另一方面，若太深，将会增加制造过程中精确控制基区的难度，使得生产成品率降低。采用砷硼双离子注入工艺可不考虑发射区陷落效应，已取0.1mm，为了避开外延层表面的损伤层，宜取得稍大一些，可取2。故得到约为0.2mm和约为0.3mm。基区硼离子注入杂浓度的纵向分布在理论上是高斯分布(3-3)其中为注入离子的剂量，为最大杂质浓度的位置，为投影标准偏差，为杂质最大浓度。和取决于所选用的注入能量，各种杂质离子注入硅中的能量与相应的和见表3-1。表3-1砷和硼离子注入硅中时的能量与相应的、值能量（keV）20406080100120140160180200硼765156623373081381045025163580064187014346580752889100711061190126213271368砷150262368473577682788894100111005696133169204237269302334368为了满足0.3mm，初步选取注入基区硼离子的注入能量为=30KeV，有源基区的注入剂量为3.5×1013cm-2缓冲基区的注入剂量为7.0×1013cm-2，查表得，、的值，代入计算得注入硼的最大浓度，再由式(3-4)得硼离子注入淡硼有源基区结深=0.28mm，于是得砷离子注入发射区结深为0.18mm。同样道理算得硼离子注入缓冲基区结深=0.29mm。根据式，(3-5)得发射结处的杂质浓度梯度，再根据(3-6)得基区平均杂质浓度。由此可求得发射区正下方有源基区的方块电阻(3-7)取基区空穴迁移率120cm2/V·s，代入各项数据，解得，同样算得缓冲基区的方块电阻。3.3.4砷离子注入表面浓度与外延层厚度的选取要使发射极注入效率趋近1，必须有>>，即发射区的杂质总量应比基区杂质总量大得多。故降低基区杂质浓度能提高。但是降低将使基有电阻增大，从而导致功率增益下降，大电流特性变坏。因此，一般总是采用提高发射区区浓度的方法来获得较高的注入效率。由于发射区的重掺杂会使迁移率及扩散系数下降，禁带变窄，俄歇复合增强，这些不但不能再提高注入效率，相反会使其下降。因此发射区掺杂浓度不能太高，一般其表面浓度要限制在5×1020cm-3以下。本次设计取砷离子注入的表面浓度=2×1020cm-3。在考虑到衬底杂质反扩散距离并留有一定余量后，外延层厚度应为。主要由衬底杂质的扩散系数和外延时间所决定，一般只能按经验估计。的引入是考虑到在氧化过程中要消耗一部分硅以及各道工序中因不定因素引入的误差，因此提高工艺精度可以减小。集电结结深约为0.3mm，再考虑到衬底反扩散距离和余量0.8mm，则外延层厚度2.5mm。经过以上分析，对纵向结构的设计参数确定如下：外延层杂质浓度5×1015cm-3集电区宽度外延层电阻率1基区宽度硼离子注入淡硼有源基区结深砷离子注入发射区结深硼离子注入缓冲基区结深硼离子注入能量硼离子注入剂量：、有源基区方块电阻缓冲基区方块电阻砷离子注入表面浓度外延层厚度外延衬底电阻率3.4横向结构参数的选取3.4.1图形结构的选取在图形结构方面，一般微波低噪声晶体管都采用具有p+区的梳状结构。将发射区分割成许多狭长的发射区，并用金属化电极条把它们并联起来，再在这些狭长的发射区之间配置并联的基区电极条，这样就构成了梳状结构。在一般梳状结构中，发射区的长度比发射区的宽度大得多。梳状结构的主要优点是工艺上比较简单，在每一发射极上可以制作镇充电阻，并且发射极电极条和浓硼区之间没有跨越。主要缺点有光刻对准较困难、电极金属条失效前的平均寿命减小、发射区电流分布不均匀等78。3.4.2单元发射极条宽、条长和条数的选取发射极宽度一般应稍大于二倍发射极有效半宽度。选取的原则是在能满足设计指标的前提下尽量选得大一些。现代微波晶体管在不同工作频率下所采用的值列于表3-2。表3-2现代微波晶体管在不同工作频率下所采用的值1.05.01.02.02.52.04.01.74.06.01.2参考表3-2，考虑工艺光刻精度为，故选取发射区宽度=和缓冲基区横向