双极型晶体管交流小信号特性分析设计

1合肥工业大学HefeiUniversityofTechnology双极型晶体管交流小信号特性分析报告书班级：电子科学与技术13-1班姓名：付浩彪学号：2013213209组员：夏文黄乃柱指导老师：宣晓峰张彦于永强2目录1.课程设计目的与任务…………………………………………………………32.设计的内容……………………………………………………………………33.设计的要求与数据……………………………………………………………34.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………………………………………………………………64.4mdraw构建器件模型及网密加密………………………………………104.5dessis的使用……………………………………………………………114.6用inspect工具观察器件交流小信号模型……………………………134.7对比不同交流小信号频率晶体管交流特性并分析跨导………………145.心得体会………………………………………………………………………166.参考文献………………………………………………………………………1731、器件与工艺课程设计目的与任务通过该课程设计让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，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，再由晶体管的图形结构设计到材料参数的选取和设计，到制定实施工艺方案，最后到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、设计的内容设计一共射极直流增益β50的NPN双极型晶体管，并分析其交流小信号特性3、设计的要求与数据为了进行小信号分析，需确定晶体管相关参数，从而用软件画出图形并进行模拟（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和发射区宽度We等。（4）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、集电区和衬底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。4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，而一般的晶体管各区的浓度要满足NENBNC，可取:BECBNNNN100,10各区的杂质溶度为：333191171161ecmeNcmeNcmNEBC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：sV/410cm2pCsVcmnB/7002sVcmpE/702根据公式可得少子的扩散系数：sVcmqKTDsVcmqKTDsVcmqKTDEEBBCC/82.170026.0/18.2070026.0/10.66014026.0222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0.3cmB1.0cmE400.0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、s102.37Cs1027Bs10910E根据公式得出少子的扩散长度：cm104.047)10982.1(cm101.91)10218.2(cm101.566)102.310.66(5-21103-2173217EBCLLL4.2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：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7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][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：m1.72120102.26942123-21nb2mas,LWB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,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：08um3.0100.308]80101101101101106.11085.88.112[]2[]2[421617161711914210210min,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1.72083.0（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NPN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：VnNNqkTViBEbiEB0.958)10(101101ln026.0ln21071912C-B结的内建电势为：VnNNqkTViBCbiCB838.0)10(101101ln026.0ln21081612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12um1.01012.1101106.1859.01085.88.112521711914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VNNNNqKXWVVBCBCSEBBCBCB242.1444614447883.02-02nmax,biCBOCBVV则2102biEBBCBCSnCBVNNNNqKX所以有114um0.010114.0589.0101101101101106.11085.88.112521716171611914cm对于准中性基区宽度W，取基区宽度1.7umBW，则umXXWWCBEBB1.581140.0-121.0-1.7nn验证其取值的准确性，根据公式有：2211BEEBBEdcLWLWNNDD117101.911.5821104.0471.5810110118.21.821219171解得的β符合设计的要求，所以基区宽度为mWB1.7，满足条件mWmB1.72373.0。104.4mdraw构建器件模型及网密加密在终端输入mdraw，弹出mdraw工具，根据所设计的相关参数，首先画出器件边界，先选中左下角bounding，在添加矩形，画出各个区，并确定各个电极位置及名称，以“*-mdr.bnd”保存。选中左下角doping，选中均匀掺杂，画矩形，输入对要摻杂区域的坐标、浓度，杂质类型(其它部位进行相同操作)，另外为使基区和集电区电极接触电阻尽可能小，对基区电极下方一定区域再进行重掺杂，以形成欧姆接触，最后对特定区域进行网格加密，以buildmash结束并保存所有文件。114.5dessis的使用在终端输入dessis编辑仿真程序（以交流信号1Khz为例）12*-des.cmd文件就是描述上述电路，靠近三个电极为电源正向，负向都为节点013相应的在1Mhz和1Ghz只需将“StartFrequency=1e3EndFrenquency=1e3”改为“StartFrequency=1e6EndFrenquency=1e6”或“StartFrequency=1e9EndFrenquency=1e9”，为保证dessis运行不出错，创建三个文件夹分别表示三个频率，运行的程序也应相应保存。注意：写电极是应与mdraw中命名的电极名称一致Dessis程序对大小写敏感.plt在File中要有输出，否则得不到后面所需文件4.6用inspect工具观察器件交流小信号模型在运行dessis检查无错情况下，在终端输入inspect，打开由dessis产生的.plt文件，首先观察放大倍数（输出电流Ic与Ib关系）从上往下分别是1Khz，1Mhz，1Ghz放大倍数在满足所设计要求情况下，打开交流信号的.plt文件（以基极电压v（b）为横轴，cb间跨导a（cb）为纵轴，分别添加得到三条曲线）14红色线为1Mhz，黑线为1Khz，1Ghz的曲线为绿色的线，近乎于横轴平行且值接近04.7对比不同交流小信号频率晶体管交流特性并分析跨导如上图出现了在1Khz和1Mhz情况下，在基极电压一定范围内，跨导随基极电压升高而上升，而在1Ghz情况下，跨导近乎为015在共发射极运用中，集电极交流短路时，集电极输出交流小信号电流Ic与基极输入电流小信号电流Ib之比为共发射极电流增益。如下图跨导mg和输入电导EBg与晶体管共基极电流增益有关，在低频，共基极电流增益是一固定值，不随频率改变，而当频率上升到某值后，共基极电流增益降低，加入频率参量后，共基极电流增益00ffj1，随频率升高而降低，再由共发射极电流增益公式1，所以会引起共发射极电流增益下降晶体管放大是在发射结正偏，集电结反偏前提下，高浓度掺杂的发射区由于发射结正偏，其多数载流子电子由于扩散作用，会有大量电子注入到基区，而基区宽度小，和基区多数载流子复合的占少数，16大多数在集电结反偏压扫进集电区，形成以基极小电流导通，会在集电结产生大电流的放大。但是这种放大有延时，形成集电结大电流的电子需要时间从发射区穿过发射结，渡跃基区，再穿过集电结，所以在小频率时，电子到集电区总时间能小于外加信号周期，能起到放大作用，此时抑制共发射极电流增益的是外加信号频率，所以在一