下载文档原格式
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0P =1W 电源电压cc V =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2cc V ，故240CEO cc BV V V ≥=。
根据式0max 2C ccP I V =，最大集电极工作电流为max C I =0.2A 。
根据式OCM P P η=，最大耗散功率为CM P =2.5W 。
选取最高结温jM T =150℃；环境温度a T =25℃；根据式()jM a CM TT T P R -=，热阻T R =50℃/W 。
当考虑到各寄生参数和发射极整流电阻R E 对功率增益的影响后，高频优值2p K f 可表示为2'8()Tp ob bb E T e f K f C r R f L ππ=++当工作频率f=2GHz 时，要获得功率增益K p =10dB ，则特征频率f T 应该选的稍高一些。
如果选取f T =3.6GHz ，则要求12'() 3.610ob bb E T e C r R f L s π-++≤⨯这对C ob 、r bb ’、R E 和L e 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r bb ’和较小的宽度W B 。
（2） 采用1um 精度的光刻工艺，以获得较小的发射区宽度s e ，从而降低r bb ’和各势垒电容。
（3） 基区硼离子注入剂量不宜过低，以降低r bb ’，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R E 的要求，因此可以选取最小的R E 以提高K p 。
微波晶体管放大器设计导师：学生：1.引言随着通信技术特别是无线通信技术的飞速发展，人们对于无线通信终端的要求进一步提高，作为承担天线感应下来的微弱信号放大任务的低噪声放大器也必须进一步的适应通信信号对其的要求。
通信信号本身就是高频载波信号，这就要求低噪声放大器能够在高频情况下工作。
由于硅器件的截止频率f T 为50GHz 的理论极限已在日趋接近。
在这种情况下，由于三~五族化合物半导体GaAs 的电子迁移率比硅高出5倍，目前的戒指频率f T 已经超过了100GHz ，集成化技术也取得很大进展，但是GaAs 材料具有明显的缺点：价格贵它的晶片制造工艺复杂，难度大，机械强度不好，容易碎片；热导率低，只有硅材料的1/3。
更主要的是GaAs 工艺与硅平面工艺不能兼容。
使得现有的无法继续使用，如更换器材成本太大。
所以这些缺点很大程度上影响了GaAs 器件及其集成电路技术的发展。
在本世纪80年代，在硅片上外延生长出了高质量的SiGe 应变材料，人们利用“能带工程”理论成功地研制出Si 1-x Ge x 基区的双极性异质结晶体管，由于Si 1-x Ge x 应变材料，电子迁移率高，其禁带宽度可通过Ge 组分变化调节的优点，显示出独特的有价值的物理性质。
在高频、高速、光电、低温等器件及集成电路应用方面有非常重要的意义。
2.国内外SiGe 技术的研发现状早在20世纪50年代中期，Kroemer 就提出异质结器件的原理和概念。
由于Si 和Ge 晶格失配达4％，SiGe 材料的制备有很大难度。
直到80年代，异质结技术才有明显发展。
早期在Si 衬底上生长SiGe 外延层的研究主要采用MBE 方法。
1975年，Kasper等人发表了关于在Si衬底上MBE生长Si/Ge超晶格的文章，对SiGe生长中由于晶格失陪引起的位错以及位错对电学和光学性能的影响进行了许多研究，生长出全应变，低缺陷密度的高质量SiGe/Si异质结材料。
随后各种SiGe/Si异质结期间相继研制成功，如：SiGe HBT，应变SiGe沟道的P-MosFET和超过200GHz，2GHz下，驰豫SiGe/Si应变电子沟道N-MosFET。
![第三章微波晶体管放大器[1]](https://img.taocdn.com/s1/m/2b27d4ef172ded630b1cb6e0.png)
第二章 微波晶体管2.1 微波双极晶体管微波双极晶体管通常都是平面结构，几乎都是NPN 的。
微波双极晶体放大 器工作原理和传统双极晶体管一样，这里只简要说明一下微波双极型晶体管的 等效电路和性能参数。
微波晶体管中，为了提高发射极效率、减小结电容以适应微波频率上工作 的需要，一般采用交指型结构。
在低噪声放大电路中，共发射极电路用得较普 通，因为它有较高的功率增益、输入和输出阻抗比较接近于通常的传输线特性 阴抗、稳定性也好。
微波双极晶体管管芯共基极、共发射极小信号等效电路如图2.1所示。
图 中， B r 表示基极扩散电阻，C C 表示集电极耗尽层电容, e r 表示发射极结电阻； e C 表示发射极耗子层电容， c r 表示集电极结电阻。
图 2-1 微波双极型晶体管管芯等效电路（1）特征频率 T f晶体管中载流子从发射极渡越到集电极的时间的称为延迟时间，用г表示。
当工作频率比较高时，延迟时间与信号周期相比已显得相当长，这时输出电流和输入电流之间出现了相位差。
当工作频率进一步提高时，载流子在基区中运动而尚未到达集电极构成输出电流时，加在输入端的交流传号的大小和方向已经改变了，因而造成了载流子运动韵混乱现象，使电流放大系数下降。
频率越高，电流流放大系数下降越厉害。
由此可见，电流放大系数具有一定的频率特性。
通常用特征频率T f 表示微波晶体管的高频放大性能，它定义为共发极短路电流增益12h =l 时的频率。
特征频率T f 与晶体管的结构参数密切相关。
微波双极晶体管受到管予结构和工艺水平的影响，特征频率不可能很高。
当要求频率更高时，一般使用微波场效应晶体管。
其特征频率可表示为：()sB C PB B c p c e T v W X D W qI C C C kT f 22-++++=η(2)噪声 在微波晶体管中，闪烁噪声不起主要作用，因此微波晶体管的噪声主要有 两类：热噪声和散弹噪声。
热噪声是晶体管中载流子的不规则热运动引起的， 它的大小与晶体管本身的欧姆电阻有关。
微波晶体管满功率老炼技术研究王小萍;李雪;张利敏;秦皓【摘要】对35 micro-x封装的微波晶体管防自激老化电路的各部分功能进行了详细介绍,讨论了如何判定管子是否处于稳定工作状态的方法.通过在测试间里搭建老化电路,模拟实际老炼状态,使用红外热像仪测试壳温的方法,比较了不同散热条件下的壳温测试数据,得出了管子的壳温以及管帽和管底之间的温度差.试验证明:在管底使用铝块和导热硅胶相结合散热的方法,能解决35 micro-x封装形式的低结温晶体管老化过程中的结温控制问题.【期刊名称】《电子与封装》【年(卷),期】2016(016)010【总页数】5页(P43-47)【关键词】微波管;壳温;电老炼;导热硅胶【作者】王小萍;李雪;张利敏;秦皓【作者单位】中国电子科技集团公司第55研究所,南京210016;中国电子科技集团公司第55研究所,南京210016;中国电子科技集团公司第55研究所,南京210016;中国电子科技集团公司第55研究所,南京210016【正文语种】中文【中图分类】TN306元器件的失效率随时间的变化过程可以用“浴盆曲线”来描述［1］，早期的失效率随时间的增加而迅速下降，在使用寿命期内失效率基本不变。
工程上常用各种试验方法来剔除早期失效产品，提高系统可靠性。
老炼筛选试验就是通过对元器件施加合理的电应力和环境应力，将其内部的潜在缺陷加速变成故障并加以排除，达到消除元器件的早期失效、使其进入稳定工作期的目的［2］。
晶体管老炼时，其老炼功率应使管芯达到或接近最高结温［3］。
对于35 micro-x 陶瓷贴片封装的中小功率微波晶体管而言，老炼筛选过程中的防自激和结温控制是非常重要的环节。
本文以AVAGO公司生产的AT42035晶体管为例，阐述中小功率微波晶体管老炼过程中的防自激和结温控制方法。
双极型晶体管的直流老炼工作原理是在基极-发射极（BE）之间加正向偏压，集电极-基极（CB）之间加反向偏压，通过调整BE之间的电压大小来调整基极电流IB，以此获得需要的集电极电流IC。
性能优良的RCA微波功率晶体管蔡勇;张利春;高玉芝;金海岩;叶红飞;张树丹【期刊名称】《固体电子学研究与进展》【年(卷),期】2003(23)2【摘要】首次采用多晶硅发射区 RCA技术制备出微波功率晶体管。
在工作频率为3 .1 GHz时 ,该器件输出功率达到 6W,功率增益达到 1 0 d B。
与普通多晶硅发射区 HF晶体管相比 ,此种晶体管具有电流增益 h FE随温度变化小、并且在一定温度下达到饱和的优点 ,从而可以在一定程度上抑制微波双极功率晶体管由于温度分布不均匀导致的电流集中。
文中还讨论了不同的杂质激活条件对【总页数】5页(P178-182)【关键词】RCA;微波功率晶体管;多晶硅发射区;氯化层;电流增益;双极功率晶体管;直流增益【作者】蔡勇;张利春;高玉芝;金海岩;叶红飞;张树丹【作者单位】北京大学微电子学研究所;南京电子器件研究所【正文语种】中文【中图分类】TN322.8【相关文献】1.模拟控制高速微控制器DS87C550、可激励固态激光器的大功率激光二极管SLD320、固态功率放大器SPA-5964-200-26200、锗化硅晶体管HBT30、可编程四组装数字电位器芯片DS1844、三端RS-232发射/接收机DS229、17～19GHz功率放大器PAN-19001、微波滤波器W1200 [J],2.微波功率晶体管的激励功率选取 [J], 杜丽军;袁同山;汪邦金3.一种结构紧凑性能优良的微波功率合成系统 [J], 崔富义;刘富海;方波4.S频段大功率振荡用砷化镓场效应晶体管的微波性能 [J], 王福臣5.高性能S波段Si微波脉冲功率晶体管研制 [J], 邓建国;刘英坤;张鸿亮;潘茹;马红梅;李明月;胡顺欣;崔现锋因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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0P =1W 电源电压cc V =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2cc V ，故240C E O c c BV V V ≥=。
根据式0max 2C ccP I V =，最大集电极工作电流为max C I =0.2A 。
根据式OCM P P η=，最大耗散功率为CM P =2.5W 。
选取最高结温jM T =150℃；环境温度a T =25℃；根据式()jM a CM TT T P R -=，热阻T R =50℃/W 。
当考虑到各寄生参数和发射极整流电阻R E 对功率增益的影响后，高频优值2p K f 可表示为2'8()T p ob bb E T e f K f C r R f L ππ=++当工作频率f=2GHz 时，要获得功率增益K p =10dB ，则特征频率f T 应该选的稍高一些。
如果选取f T =3.6GHz ，则要求12'() 3.610ob bb E T e C r R f L s π-++≤⨯这对C ob 、r bb ’、R E 和L e 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r bb ’和较小的宽度W B 。
（2） 采用1um 精度的光刻工艺，以获得较小的发射区宽度s e ，从而降低r bb ’和各势垒电容。
（3） 基区硼离子注入剂量不宜过低，以降低r bb ’，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R E 的要求，因此可以选取最小的R E 以提高K p 。
（5） 对部分无源基区进行重掺杂而形成浓硼区，这样可减小r bb ’，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H 1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2CEO CC BV V == ，得BV CEO =40V ，取β=40，则BV CBO =100V 。
近似认为集电结为单边突变结，根据式3313245.210CBO GC BV E N -=⨯，在要求BV CBO =100V 时，求得N c =5⨯1015cm ，相当于ρC =1cm Ω。
2. 基区宽度W B 的选取在选定特征频率f T =3.6GHz 后，就要求d τ=44⨯10-12s 。
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b τ和d τ。
当Vce=20V 时，集电结耗尽区宽度1/2(2/) 2.2C s CC C x V qN m εμ==，并取max υ=8.5⨯106cm/s ，得12max12.9102c d x s τυ-==⨯可见d τ已接近于ec τ的1/3。
若选取W B =0.25um ，并取D B =10cm 2/s ，则得21215.6104B d BW s D τ-==⨯3. 集电结结深jc X 、发射结结深je X 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B W 不太小时，可取/je B x W =1，即选取je x 为0.25m μ，jc x 为0.5m μ。
这样已足够避开外延层的表面损伤层。
为了满足jc x =0.5m μ，选取基区的硼离子注入能量1E =60keV ，注入剂量1B N=813210cm -⨯。
由下表查的，硼和砷离子注入硅中时的能量与相应的Rp. p R ∆的值52.3410P R cm -=⨯ ，67.5210P R cm -=⨯ 。
由式BmB N R π=，得注入硼的最大浓度为1834.2510mB N cm -=⨯。
由式122ln()mB jc P P C N x R R N ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦ ，得集电结结深为0.51jc x m μ=，于是得发射结结深为0.26je x m μ=。
由式222()()()exp 2je mB je P je P je x x P P N x R x R dN x a dx R R =⎡⎤--=-=-⎢⎥⎢⎥⎣⎦，的发射结处的杂质浓度梯度为2341.8310je a cm -=⨯。
再由式22()1exp 22()2jc jcx P B x mB jc jcP Bjc jc P x R N N dx x x R x R x R Nerf erf x x R ⎡⎤-=-⎢⎥-⎣⎦⎡⎤⎛⎫⎛⎫-=-⎢⎥⎪ ⎪⎪ ⎪-⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎰，得基区平均杂质浓度为1831.1610B N cm-=⨯。
发射区正下方的有源基区方块电阻为111()()jcjeB x B P jc jeP B xR q x x N q N x dx μμ==-⎰ 取基区空穴迁移率2120/P cm V s μ=，得311.7610B R=⨯Ω。
发射区与浓硼区这间的无源基区方块电阻为3201 1.310()jcB x P B R q N x dxμ==⨯Ω⎰式中，132() 4.0102jcx BB x R N N x dx erf cm -⎛⎫-==⨯ ⎝⎰对于浓硼区的集电结结深'jc x ，可初步选取为1m μ左右。
当浓硼的注入能量为3140E keV =，注入剂量为1523210B N cm -=⨯时，' 1.03jc x m μ= ，其方块电阻为35B R=Ω。
对于发射区，砷注入的表面浓度203510ES N cm -=⨯。
4. 外延层厚度的选取根据式'+jc B W x x x x ≥++反外余，外延层厚度W 外应满足'jc B W x x x x ≥+++反外余当BC CBO V =BV =100V 时，浓硼区集电结的耗尽区宽度为122() 4.9s CBO B CBV x m qN εμ==考虑到() 2.1x x m μ+≈反余，故应选取=8m W μ外。
综上所述，纵向结构设计得得到的参数如下； 淡硼基区结深0.51jc x m μ= 发射区结深0.26je x m μ=发射结处的杂质浓度梯度2341.8310je a cm -=⨯ 基区宽度0.25B W m μ=淡硼基区硼离子注入能量160E keV = 淡硼基区硼离子注入剂量132B1N =810cm -⨯有源基区方块电阻13B1R =1.7610⨯Ω无源基区方块电阻3B2R=1.310⨯Ω砷离子注入发射区表面浓度203510ES N cm -=⨯ 浓硼区结深'1jc x m μ=浓硼区硼离子注入能量3140E keV = 浓硼区硼离子注入剂量523210B N cm -=⨯ 浓硼区方块电阻35B R=Ω外延层杂质浓度153510C N cm -=⨯ 外延层电阻率1C cm ρ=Ω 衬底电阻率0.01cm ρ=Ω衬1.3横向结构参数的选取1. 发射区宽度e s 、长度e l 和条数n 的选取根据式1112222012(1)(0)2BP B B E n W kT y KW qR J βμββμ⎡⎤⎡⎤==+=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦ ，大电流时的发射区有效半宽度为1220()(1)0.2782BT P n W f y m f βμμμ⎡⎤=+=⎢⎥⎣⎦式中，取n μ=3202/cm V s ，2120/P cm V s μ= 。
由于发射区宽度e s 应稍大于20y ，并考虑到光刻精度1m μ，故选取e s =1m μ。
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e s 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b s 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M d 应略大于发射区宽度e s ，可取M d =1.5m μ。
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/M M l d =17，则得金属电极条长度26M l m μ=，于是可选取发射区长度25e l m μ=。
在确定1e s m μ=和25e l m μ=后，可算出每一单元发射区的周长'2()52e e e l s l m μ=+=。
如果了发射区的总周长E L ，将其除以单元发射区的周长'e l ，就可的到单元发射区的数目n 。
根据式11pE PE nE E pE nE pEJ I J I J J J γ≡==++ ，发射区总周长为max 0/E C L I i =。
式中的0i 代表发射区单位周长的电流容量，可由式()11202=CL TB j KTf i qR f ⎛⎫⎪ ⎪⎝⎭基求出，即 1max 2012()C T B J kTf i qR f=对于 3.6T f GHz =的微波功率晶体管，由于基区宽度B W 很窄，大电流下β和T f 的下降是由于基区扩散效应，因此最大电流密度max C J 应以不发生基区扩散为标准，由式得32max max 22 6.810/s CB C C C V J qv N A cm qW ε⎡⎤=+=⨯⎢⎥⎣⎦利用上式的max C J 数值和已经选取的311.7610B R=⨯Ω及/ 1.8T f f =，可算得00.59/i A cm =。
当4002000f MHz =时，0i 的经验数据位为0.40.8/A cm ，可见理论值与经验数据符合得很好。
于是可得到发射区总周长为max 0/0.339E C L I i cm ==，稍加一定的余料后可初步选取0.36E L cm =。
最后可得单元发射区的数目为72'EeL n l == 将72个单元发射区分成四组，每组为一个子器件，每个子器件有'/418n n ==条发射区和'119n +=条浓硼区。
2. 子器件基区面积（即集电结面积）的选取根据上面已经选取的单元发射区的宽度e s 、长度e l 和每个子器件中单元发射区的数目n ’，可以得到每一子器件的发射区的面积为2'18125450e e e A n s l m μ==⨯⨯=基区面积b A 的上限由晶体管的频率特性决定，而下限由所要求的热阻T R 决定。
