【正文】 設(shè)計(jì)。（3） 正確處理技術(shù)指標(biāo)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)間的關(guān)系。設(shè)計(jì)中既要考慮高性能的技術(shù)指標(biāo)，也要考慮經(jīng)濟(jì)效益。否則，過高的追求高性能的技術(shù)指標(biāo)，將使成本過高。同時(shí)，在滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的前提下，盡可能降低參數(shù)指標(biāo)水準(zhǔn)，便于降低對工藝的要求，提高產(chǎn)品成品率。（4） 在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，一定要考慮器件的穩(wěn)定性和可靠性。三、晶體管物理參數(shù)設(shè)計(jì). 各區(qū)摻雜濃度及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算 由設(shè)計(jì)題目可知，晶體管的設(shè)計(jì)指標(biāo)是： 300K時(shí)，基區(qū)摻雜濃度為NB=1016cm3,共發(fā)射極電流增益β=50，BVCEO=60V。對上表參數(shù)進(jìn)行仔細(xì)分析后可發(fā)現(xiàn)，上述參數(shù)中，只有擊穿電壓主要由集電區(qū)電阻率決定。因此，集電區(qū)電阻率的最小值由擊穿電壓決定，在滿足擊穿電壓要求的前提下，盡量降低電阻率，并適當(dāng)調(diào)整其他參量，以滿足其他電學(xué)參數(shù)的要求。對于擊穿電壓較高的器件，在接近雪崩擊穿時(shí)，集電結(jié)空間電荷區(qū)已擴(kuò)展至均勻摻雜的外延層。因此，當(dāng)集電結(jié)上的偏置電壓接近擊穿電壓V時(shí)，集電結(jié)可用突變結(jié)近似，對于Si器件擊穿電壓為 ， 由此可得集電區(qū)雜質(zhì)濃度為： 根據(jù)公式,可算出集電區(qū)雜質(zhì)濃度： 一般的晶體管各區(qū)的濃度要滿足NENBNC，故， 圖1 室溫下載流子遷移率與摻雜濃度的函數(shù)關(guān)系（器件物理55頁）查圖1得到少子遷移率： 根據(jù)公式可知： 圖2 摻雜濃度與電阻率的函數(shù)關(guān)系（器件物理59頁）根據(jù)圖2，可得到不同雜質(zhì)濃度對應(yīng)的電阻率：（即襯底選用的電阻率） 圖3 少子壽命與摻雜濃度的函數(shù)關(guān)系（半導(dǎo)體物理177頁） 由圖3或者取器件物理287頁的經(jīng)驗(yàn)值，為了方便得到較合理的基區(qū)準(zhǔn)中性寬度，所以這里的少子壽命取值如下： 根據(jù)公式有：（1）集電區(qū)厚度的最小值集電區(qū)厚度的最小值由擊穿電壓決定。通常為了滿足擊穿電壓的要求，集電區(qū)厚度WC必須大于擊穿電壓時(shí)的耗盡層寬度，即WC XmB（XMb是集電區(qū)臨界擊穿時(shí)的耗盡層寬度）。對于高壓器件，在擊穿電壓附近，集電結(jié)可用突變結(jié)耗盡層近似，因而根據(jù)公式求出集電區(qū)厚度的最小值為：可見，為了提高擊穿電壓，改善二次擊穿特性，希望集電區(qū)厚度WC厚一些好。（2） 集電區(qū)厚度的最大值WC的最大值受串聯(lián)電阻rcs的限制。增大集電區(qū)厚度會使串聯(lián)電阻rcs增加，飽和壓降VCES增大，因此WC的最大值受串聯(lián)電阻限制。所以，有 綜合考慮這兩方面的因素，WC盡量取大，故選擇WC=8μm. 基區(qū)寬度WB（1）基區(qū)寬度的最大值對于低頻管，與基區(qū)寬度有關(guān)的主要電學(xué)參數(shù)是b，因此低頻器件的基區(qū)寬度最大值由b確定。當(dāng)發(fā)射效率g187。1時(shí)，電流放大系數(shù)，因此基區(qū)寬度的最大值可按下式估計(jì)： 為了使器件進(jìn)入大電流狀態(tài)時(shí)，電流放大系數(shù)仍能滿足要求，因而設(shè)計(jì)過程中取l=4。由公式可看出，電流放大系數(shù)b要求愈高，則基區(qū)寬度愈窄。但當(dāng)基區(qū)寬度過窄時(shí)，電流在從發(fā)射結(jié)向集電結(jié)傳輸?shù)倪^程中，由于傳輸路程短而容易產(chǎn)生電流集中。因此，對于高耐壓晶體管，在滿足b要求的前提下，可以將基區(qū)寬度選的寬一些，使電流在傳輸過程中逐漸分散開，以提高二次擊穿耐量。所以根據(jù)公式,求得低頻管的基區(qū)寬度的最大值為：（2） 基區(qū)寬度的最小值為了保證器件正常工作，在正常工作電壓下基區(qū)絕對不能穿通。因此，對于高耐壓器件，基區(qū)寬度的最小值由基區(qū)穿通電壓決定,此處，對于均勻基區(qū)晶體管，當(dāng)集電結(jié)電壓接近雪崩擊穿時(shí)，基區(qū)一側(cè)的耗盡層寬度為： 由于在高頻器件中，基區(qū)寬度的最小值往往還受工藝的限制。則由上述可知：（3）基區(qū)寬度的選擇與PN結(jié)二極管的分析類似，在平衡和標(biāo)準(zhǔn)工作條件下，BJT可以看成是由兩個(gè)獨(dú)立的PN結(jié)構(gòu)成，它在平衡時(shí)的結(jié)構(gòu)圖如下所示： 圖4 平衡條件下的PNP三極管的示意圖具體來說，由于，所以EB耗盡區(qū)寬度（）可近視看作全部位于基區(qū)內(nèi)，又由，得到大多數(shù)CB耗盡區(qū)寬度（）位于集電區(qū)內(nèi)。因?yàn)镃B結(jié)輕摻雜一側(cè)的摻雜濃度比EB結(jié)輕摻雜一側(cè)的濃度低，所以＞。另外注意到是基區(qū)寬度，W是基區(qū)中準(zhǔn)中性基區(qū)寬度，也就是說，對于pnp晶體管，有： ，其中和分別是位于n型區(qū)內(nèi)的EB和CB耗盡區(qū)寬度。在BJT分析中W指的就是準(zhǔn)中性基區(qū)寬度。另外注意到是基區(qū)寬度，是基區(qū)中準(zhǔn)中性基區(qū)寬度；也就是說，對于PNP晶體管，有： 其中和分別是位于N型區(qū)內(nèi)的EB和CB耗盡區(qū)寬度。在BJT分析中指的就是準(zhǔn)中性基區(qū)寬度。EB結(jié)的內(nèi)建電勢為：CB結(jié)的內(nèi)建電勢為： 根據(jù)公式有：EB結(jié)在基區(qū)一邊的耗盡層厚度為∵ 可以當(dāng)成單邊突變結(jié)處理 CB結(jié)在基區(qū)一邊的耗盡層厚度為 根據(jù)公式有：∵ ∴ 求解得到由上述可得基區(qū)總寬度： 滿足條件：，這個(gè)寬度是允許的，但是為了與標(biāo)準(zhǔn)工藝相對應(yīng)，這里的，方便以后的計(jì)算。在晶體管的電學(xué)參數(shù)中，擊穿電壓與結(jié)深關(guān)系最為密切，它隨結(jié)深變淺，曲率半徑減小而降低，因而為了提高擊穿電壓，要求擴(kuò)散結(jié)深一些。但另一方面，結(jié)深卻又受條寬限制，當(dāng)發(fā)射極條寬SeXj條件時(shí)，擴(kuò)散結(jié)面仍可近似當(dāng)做平面結(jié)。但當(dāng)Se隨著特征頻率fT的提高，基區(qū)寬度Wb變窄而減小到不滿足SeXj條件時(shí)，發(fā)射結(jié)變?yōu)樾D(zhuǎn)橢圓面。發(fā)射結(jié)集電結(jié)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)橢圓面之間的基區(qū)體積大于平面結(jié)之間的基區(qū)體積，因而基區(qū)積累電荷增多，基區(qū)渡越時(shí)間增長。按照旋轉(zhuǎn)橢圓的關(guān)系，可以解出當(dāng)Se與Xj接近時(shí)，有效特征頻率為 式中。因此，愈大，有效特征頻率愈低。，越大，則基區(qū)積累電荷比平面結(jié)時(shí)增加越多。由于基區(qū)積累電荷增加，基區(qū)渡越時(shí)間增長，有效特征頻率就下降，因此，通常選取 對于低頻功率晶體管在保證發(fā)射結(jié)處的雜質(zhì)濃度梯度，即發(fā)射效率不致過低的前提下，基區(qū)寬度一般都取得很寬，因而發(fā)射結(jié)深也取得較大。綜上所述，得：== =2=圖5發(fā)射極條寬對界面形狀的影響在縱向結(jié)構(gòu)尺寸選定的情況下，發(fā)射區(qū)和基區(qū)表面雜志濃度及其雜志分布的情況主要影響晶體管的發(fā)射效率g和基區(qū)電阻rb。減小基區(qū)電阻rb要求提高基區(qū)平均雜質(zhì)濃度NB和表面濃度NBS。同時(shí)，提高基區(qū)平均雜質(zhì)濃度，也有利于減小基區(qū)寬變效應(yīng)和基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。提高發(fā)射效率則要求減小，增大發(fā)射區(qū)和基區(qū)濃度差別。為了保證在大電流下，晶體管仍具有較高的發(fā)射效率，要求發(fā)射區(qū)和基區(qū)表面濃度相差兩個(gè)數(shù)量級以上，即。而發(fā)射區(qū)表面濃度由于受重?fù)诫s效應(yīng)限制，而不能無限提高，一般選取NES=5180。1020cm3左右，則NBS=51018 cm3本設(shè)計(jì)選用的是電阻率為的P型硅，晶向是111。硅片厚度主要由集電結(jié)深、集電區(qū)厚度、襯底反擴(kuò)散層厚度決定。同時(shí)擴(kuò)散結(jié)深并不完全一致，在測量硅片厚度時(shí)也存在一定誤差。因此在選取硅片厚度時(shí)必須留有一定的的余量。襯底厚度要選擇適當(dāng)，若太薄，則易碎，且不易加工；若太厚，則芯片熱阻過大。因此，在工藝操作過程中，一般硅片的厚度都在300um以上，但最后要減薄到150～200um。硅片的質(zhì)量指標(biāo)主要是要求厚度均勻，電阻率符合要求，以及材料結(jié)構(gòu)完整、缺陷少等。. 晶體管的橫向設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇 (1)橫向設(shè)計(jì)進(jìn)行晶體管橫向設(shè)計(jì)的任務(wù)，是根據(jù)晶體管主要電學(xué)參數(shù)指標(biāo)的要求，選取合適的幾何圖形，確定圖形尺寸，繪制光刻版圖。晶體管的圖形結(jié)構(gòu)種類繁多：從電極配置上區(qū)分，有延伸電極和非延伸電極之分；從圖形形狀看，有圓形、梳狀、網(wǎng)格、覆蓋、菱形等不同的幾何圖形。眾多的圖形結(jié)構(gòu)各有其特色。此次設(shè)計(jì)的晶體管只是普通的晶體管，對圖形結(jié)構(gòu)沒有特別的要求，所以只是采用普通的單條形結(jié)構(gòu)。下圖為BJT俯視圖圖6：三極管俯視圖(2)基區(qū)和發(fā)射區(qū)面積發(fā)