PNP双极型晶体管的设计

1目录1.课程设计目的与任务…………………………………………………………22.设计的内容……………………………………………………………………23.设计的要求与数据……………………………………………………………24.物理参数设计…………………………………………………………………34.1各区掺杂浓度及相关参数的计算………………………………………34.2集电区厚度Wc的选择……………………………………………………64.3基区宽度WB………………………………………………………………64.4扩散结深…………………………………………………………………104.5芯片厚度和质量…………………………………………………………104.6晶体管的横向设计、结构参数的选择…………………………………105.工艺参数设计…………………………………………………………………115.1工艺部分杂质参数………………………………………………………115.2基区相关参数的计算过程………………………………………………115.3发射区相关参数的计算过程……………………………………………135.4氧化时间的计算…………………………………………………………146.设计参数总结…………………………………………………………………167.工艺流程图……………………………………………………………………178.生产工艺流程…………………………………………………………………199.版图……………………………………………………………………………2810.心得体会……………………………………………………………………2911.参考文献……………………………………………………………………302PNP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，VCEO=15V,VCBO=80V.晶体管工作于小注入条件下，最大集电极电流为IC=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NE,NB,和NC,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Wc，基本宽度Wb，发射区宽度We和扩散结深Xjc,发射结结深Xje等。（4）根据扩散结深Xjc,发射结结深Xje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。3（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）（BCBNV，由此可得集电区杂质浓度为：34133413)1106106CEOnCBOCBVBVN（）（由设计的要求可知C-B结的击穿电压为：VBVCBO80根据公式,可算出集电区杂质浓度：3153413341310814.6)80106106cmBVNCBOC（）（一般的晶体管各区的浓度要满足NENBNC，根据以往的经验可取:BECBNNNN100,10即各区的杂质溶度为：31831631510814.610814.610814.6cmNcmNcmNEBC，，4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：sVcm/13002nCsVcmPB/3302sVcmNE/1502根据公式可得少子的扩散系数：scmqkTDscmqkTDscmqkTDEEBBCC/90.3150026.0/58.8330026.0/8.331300026.02225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：cmC17.1cmB1.0cmE014.06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EBC和、sC6105.3sB7109sE6101.1根据公式得出少子的扩散长度：cmDLcmDLcmDLEEEBBBCCC3637261007.2101.190.31078.2100.958.81009.1105.38.334.2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：um91.3101.39]10814.6106.1808.111085.82[]2[521151914210cmqNBVXWCCBOSmBCWC的最大值受串联电阻rcs的限制。增大集电区厚度会使串联电阻rcs增加，饱和压降VCES增大，因此WC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WC=8μm4.3基区宽度WB（1）基区宽度的最大值71时，电流放大系数][122nbBLW，因此基区宽度的最大值可按下式估计：212][nbBLW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cmLWnbB，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VBVCBO80，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,cmBVNNNqNBVNNNqNXCBOCBCBSCBOADADSB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：mWmB08.5373.0（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：8图4平衡条件下的PNP三极管的示意图具体来说，由于BENN，所以E-B耗尽区宽度（EBW）可近视看作全部位于基区内，又由CBNN，得到大多数C-B耗尽区宽度（CBW）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CBW＞EBW。另外注意到BW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：nCBnEBBxxWW其中nEBx和nCBx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：VnNNqkTViBEbiEB938.0)10(10814.610814.6ln026.0ln21016182C-B结的内建电势为：VnNNqkTViBCbiCB758.0)10(10814.610814.6ln026.0ln21016152根据公式,E-B结在基区一边的耗尽层宽度nEBx为：∵BENN，可以当成单边突变结处理2121022biEBBosbiEBBEBESnEBVqNKVNNNNqKXum134.01034.110814.6106.1938.01085.88.112521161914cm9C-B结在基区一边的耗尽层厚度nCBx为：210)-(2CBbiEBBCBCSnCBVVNNNNqKX00WnnCBEBBXXW，则穿通时有VNNNNqKXWVVBCBCSEBBCBCB242.1444614447758.02-02nmax,biCBOCBVV则2102biEBBCBCSnCBVNNNNqKX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um5.3BW，则umXXWWCBEBB33.30363.0-134.0-5.3nn验证其取值的准确性，根据公式有：2211BEEBBEdcLWLWNNDD1261078.21033.3211007.21033.310814.610814.658.89.31234341816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mWB5.3，满足条件mWmB08.5373.0。104.4扩散结深在晶体管的电学参数中，击穿电压与结深关系最为密切，它随结深变浅，曲率半径减小而降低，因而为了提高击穿电压，要求扩散结深一些。但另一方面，结深却又受条宽限制，由于基区积累电荷增加，基区渡越时间增长，有效特征频率就下降，因此，通常选取：反射结结深为umWXBje5.3集电结结深为umWXBj72c4.5芯片厚度和质量本设计选用的是电阻率为cm7的P型硅，晶向是111。硅片厚度主要由集电结深、集电区厚度、衬底反扩散层厚度决定。同时扩散结深并不完全一致，在测量硅片厚度时也存在一定误差。因此在选取硅片厚度时必须留有一定的的余量。衬底厚度要选择适当，若太薄，则易碎，且不易加工；若太厚，则芯片热阻过大。因此，在工艺操作过程中，一般硅片的厚度都在300um以上，但最后要减薄到150～200um。硅片的质量指标主要是要求厚度均匀，电阻率符合要求，以及材料结构完整、缺陷少等。4.6晶体管的横向设计、结构参数的选择(1)横向设计进行晶体管横向设计的任务，是根据晶体管主要电学参数指标的要求，选取合适的几何图形，确定图形尺寸，绘制光刻版图。晶体管的图形结构种类繁多：从电极配置上区分，有延伸电极和非延伸电极之分；从图形形状看，有圆形、梳状、网格、覆盖、菱形等不同的几何图形。众多的图形结构各有其特色。此次设计的晶体管只是普通的晶体管，对图形结构没有特别的要求，所以只是采用普通的单条形结构。三极管剖面图如图5，三极