微波功率晶体管设计实例

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1、微波功率晶体管设计这里设计的微波功率晶体管将用于甲类放大,其设计指标如下:工作频率f=2GHz功率增益Kp=10Db效率n=40%输出功率=1W电源电压=20v1.1一般考虑:在发射极甲类运用时，根据图，晶体管的集电极与发射极之间应当能承受的电压峰值为2，故。12根据式，最大集电极工作电流为=0.2A。根据式，最大耗散功率为=2.5W。选取最高结温=150℃；环境温度=25℃；根据式，热阻=50℃/W。当考虑到各寄生参数和发射极整流电阻RE对功率增益的影响后，高频优值可表示为当工作频率f=2GHz时，要获得功率增益Kp=10dB，则特征频率fT应该选的稍高一些。如果选取fT

2、=3.6GHz，则要求这对Cob、rbb’、RE和Le的要求是很高的。为此可考虑采取以下措施。（1）采用砷硼双离子注入工艺，以获得较小的基极电阻rbb’和较小的宽度WB。（2）采用1um精度的光刻工艺，以获得较小的发射区宽度se，从而降低rbb’和各势垒电容。（3）基区硼离子注入剂量不宜过低，以降低rbb’，并保证基区不致在工作电压下发生穿通。（4）采用多子器件结构，将整个器件分为四个子器件，每个子器件的输出功率为0.25W，最大集电极工作电流为0.05A，热阻为200℃/W。这种考虑有利于整个芯片内各点的结温均匀化，从而可降低对整流电阻RE的要求，因此可以选取最小的RE以

3、提高Kp。（5）对部分无源基区进行重掺杂而形成浓硼区，这样可减小rbb’，同时还可因为浓硼区的结深较深而提高集电结击穿电压。（6）由于输出功率并不是太大，流经发射区金属电极条的电流也不大，考虑到梳状结构发射区的有效利用面积较覆盖结构的大，故在设计方案中采用梳状结构，这样可以因结面积的减小而使各势垒电容变小。（7）采用H1型带状管壳。1.2纵向结构参数的选取1．集电区外延材料电阻率的选取根据式，得BVCEO=40V，取=40，则BVCBO=100V。12近似认为集电结为单边突变结，根据式，在要求BVCBO=100V时，求得Nc=51015cm，相当于C=1。2.基区宽度WB的

4、选取在选定特征频率fT=3.6GHz后，就要求=4410-12s。在微波范围内，这个频率不算太高，这时各时间常数中占最主要地位的是和。当Vce=20V时，集电结耗尽区宽度，并取=8.5106cm/s，得可见已接近于的1/3。若选取WB=0.25um，并取DB=10cm2/s，则得3.集电结结深、发射结结深及其杂质浓度的选取采用砷硼双离子注入工艺可不考虑发射结区陷落效应。根据常规，在基区宽度不太小时，可取=1，即选取为0.25，为0.5。这样已足够避开外延层的表面损伤层。为了满足=0.5，选取基区的硼离子注入能量=60keV，注入剂量=8。由下表查的，硼和砷离子注入硅中时的能

5、量与相应的Rp.的值，。由式，得注入硼的最大浓度为。12由式，得集电结结深为，于是得发射结结深为。由式，的发射结处的杂质浓度梯度为。再由式，得基区平均杂质浓度为。发射区正下方的有源基区方块电阻为取基区空穴迁移率，得。发射区与浓硼区这间的无源基区方块电阻为式中，对于浓硼区的集电结结深，可初步选取为左右。当浓硼的注入能量为，注入剂量为时，，其方块电阻为。对于发射区，砷注入的表面浓度。4.外延层厚度的选取根据式，外延层厚度应满足12当时，浓硼区集电结的耗尽区宽度为考虑到，故应选取。综上所述，纵向结构设计得得到的参数如下；淡硼基区结深发射区结深发射结处的杂质浓度梯度基区宽度淡硼基区

6、硼离子注入能量淡硼基区硼离子注入剂量有源基区方块电阻无源基区方块电阻砷离子注入发射区表面浓度浓硼区结深浓硼区硼离子注入能量浓硼区硼离子注入剂量浓硼区方块电阻外延层杂质浓度外延层电阻率衬底电阻率1.3横向结构参数的选取121.发射区宽度、长度和条数n的选取根据式，大电流时的发射区有效半宽度为式中，取=320，。由于发射区宽度应稍大于2，并考虑到光刻精度，故选取=。应该指出的是，尽管采用了离子注入工艺，仍会有一定的杂质横向扩散，使实际得到的发射区宽度略大于光刻掩膜版上的发射区宽度。下面在选取浓硼区宽度时也有这个问题。在设计掩膜版时必须考虑到这个因素。发射极金属电极条的宽度应略大

7、于发射区宽度，可取=。根据3.7.3节给出的确定发射极金属电极条最大长度的方法，可选取的金属电极条的长宽比为=17，则得金属电极条长度，于是可选取发射区长度。在确定和后，可算出每一单元发射区的周长。如果了发射区的总周长，将其除以单元发射区的周长，就可的到单元发射区的数目n。根据式，发射区总周长为。式中的代表发射区单位周长的电流容量，可由式求出，即对于的微波功率晶体管，由于基区宽度很窄，大电流下和的下降是由于基区扩散效应，因此最大电流密度12应以不发生基区扩散为标准，由式得利用上式的数值和已经选取的及，可算得。当时，