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课程设计---pnp双极型晶体管的设计.doc

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目录1.设计任务及目标.....12.课程设计的基本内容.12.1pnp双极型晶体管的设计.…….….…12.2设计的主要内容.……13.晶体管工艺参数设计.....23.1晶体管的纵向结构参数设计.....23.1.1集电区杂质浓度的确定..23.1.2基区及发射区杂质浓度..33.1.3各区少子迁移率及扩散系数的确定..33.1.4各区少子扩散长度的计算......43.1.5集电区厚度的选择.....….……43.1.6基区宽度的计算.….…43.1.7扩散结深...…..….…63.1.8表面杂质浓度..….….…….73.2晶体管的横向设计.…….....……83.3工艺参数的计算.….……83.3.1基区磷预扩时间.….…..……83.3.2基区磷再扩散时间计算..….83.3.3发射区硼预扩时间计算......93.3.4发射区硼再扩散时间计算....…..93.3.5基区磷扩散需要的氧化层厚度103.3.6发射区硼扩散需要的氧化层厚度113.3.7氧化时间的计算113.3.8设计参数总结..……1213微电子器件与工艺课程设计报告——pnp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、课程设计的基本内容2.1pnp双极型晶体管的设计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。

2.2设计的主要内容:(1)了解晶体管设计的一般步骤和设计原则。(2)根据设计指标选取材料,确定材料参数,如发射区掺杂浓度NE,,基区掺杂浓度NB,集电区掺杂浓度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,如集电区厚度Wc,基区宽度Wb,发射极宽度We和扩散结深Xjc,发射结结深等。(4)根据结深确定氧化层的厚度,氧化温度和氧化时间;杂质预扩散和再扩散的扩散温度和扩散时间。3晶体管工艺参数设计3.1晶体管的纵向结构参数设计双极晶体管是由发射结和集电结两个PN结组成的,晶体管的纵向结构就是指在垂直于两个PN结面上的结构。

因此,纵向结构设计的任务有两个:首先是选取纵向尺寸,即决定衬底厚度、集电区厚度、基区厚度、扩散结深和等;其次是确定纵向杂质浓度和杂质分布,即确定集电区杂质浓度、衬底杂质浓度、表面浓度,以及基区杂质浓度分布等,并将上述参数转换成生产中的工艺控制参数。3.1.1集电区杂质浓度的确定根据击穿电压与浓度的关系图来读出BVCBO=80V时的NC,如图1图1击穿电压与杂质浓度的关系从图1中可以读出,当BVCBO=80V时,集电区杂质浓度NC=51015CM3,对应的电阻率为1.2Ω*CM,所以选用(111)晶向的P型硅。3.1.2基区及发射区杂质浓度一般的晶体管各区的浓度要满足NE>。

>NB>NC,故(1)基区杂质浓度取NB=51016cm-3。(2)发射杂质浓度取NE=51018cm-3。3.1.3各区少子迁移率及扩散系数的确定(1)少子迁移率少子的迁移率可以通过迁移率与杂质浓度的关系图查出来。此关系图如下图2所示。图2迁移率与杂质浓度的关系图通过图2可以查出在300K时,集电区、基区和发射区各自的少子的迁移率如下。C区:Uc=1298cm2/v.s;B区:UB=378cm2/v.s;E区:UE=130cm2/v.s;(2)各区少子扩散系数的计算根据爱因斯坦关系式可以求出各区少子的扩散系数C区:;B区:;

E区:;3.1.4各区少子扩散长度的计算由,其中少子寿命,,;;;3.1.5集电区厚度的选择(1)集电区厚度的最小值集电区厚度的最小值由击穿电压决定。通常为了满足击穿电压的要求,集电区厚度WC必须大于击穿电压时的耗尽层宽度,即>(是集电区临界击穿时的耗尽层宽度)。对于高压器件,在击穿电压附近,集电结可用突变结耗尽层近似,因而(2)集电区厚度的最大值的最大值受串联电阻的限制。增大集电区厚度会使串联电阻增加,饱和压降增大,因此的最大值受串联电阻限制。考虑到实际情况最终确定。3.1.6基区宽度的计算(1)基区宽度的最大值对于低频管,与基区宽度有关的主要电学参数是b,因此低频器件的基区宽度最大值由b确定。

当发射效率g1时,电流放大系数,因此基区宽度的最大值可按下式估计: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l=4。将数据代入上式中得:所以基区宽度的最大值为5.7um。(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所以基区宽度的取值范围为:0.436um

W=3.46um(4)基区耗尽层宽度的计算①eb结基区边的耗尽层宽度的计算先求出eb结的内建电势再求出eb结基区边的耗尽层宽度②cb结基区边的耗尽层宽度的计算先求出cb结的内建电势再求出cb结基区边的耗尽层宽度(5)总的基区宽度WB=W+XnEB+XpCB=3.46+0.155+0.0419=3.66um符合之前计算出来的基区宽度的范围,但是这样的宽度相对应的结深过大,故根据经验值W=4um3.1.7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,当发射极条宽条件时,扩散结面仍可近似当做平面结。但当SE随着特征频率的提高,基区宽度WB变窄而减小到不满足SE>>Xj时,发射结变为旋转椭圆面旋转椭圆面,如图3所示。发射结集电结两个旋转椭圆面之间的基区体积大于平面结之间的基区体积,因而基区积累电荷增多,基区渡越时间增长。按照旋转椭圆的关系,可以解出当SE与Xj接近时,有效特征频率为式中,因此,愈大,有效特征频率愈低。图3也明显表明,越大,则基区积累电荷比平面结时增加越多。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,则:Xje=WB=4um,则:Xjc=2WB=8um图3发射极条宽对结面形状的影响3。

1.8表面杂质浓度结构尺寸选定的情况下,发射区和基区表面杂志浓度及其杂志分布的情况主要影响晶体管的发射效率和基区电阻。减小基区电阻要求提高基区平均杂质浓度和表面浓度。同时,提高基区平均杂质浓度,也有利于减小基区宽变效应和基区电导调制效应。提高发射效率则要求减小,增大发射区和基区浓度差别。为了保证在大电流下,晶体管仍具有较高的发射效率,要求发射区和基区表面浓度相差两个数量级以上,即。在这个晶体管设计中取=1019cm3左右,则=1021cm3。3.2晶体管的横向设计无特别要求,取有效的,,。在这个pnp双极晶体管的设计中,衬底选取p型硅衬底,晶向为(111)晶向。3。

3工艺参数的计算3.3.1基区磷预扩时间首先先列出表1,是计算扩散系数时所需要用到的数据,如下表一所示。杂质元素BPD0/(cm2/s)0.763.85E/eV3.463.66表1:硼、磷元素在硅中的D0与激活能E注:适用温度范围(oC)为:800~1350基区磷的预扩温度为1000,即1273K。扩散系数:通过单位表面积扩散到硅片内部的杂质数量:根据公式可解得在特定温度下扩散的时间:3.3.2基区磷再扩散时间计算基区磷的预扩温度为1300,即1573K。硅衬底中原有杂质的浓度:磷在硅中的扩散系数为:由于预扩散的结深很浅。

可将它忽略,故再扩散结深:(2)又所以代入(2)式可得化简得解得基区磷主扩时间为:t=7166s=2h3.3.3发射区硼预扩时间计算发射区硼预扩散温度为1000,即1273K硼在硅中的扩散系数为:发射区进行扩散时的总的杂质数量:发射区表面杂质浓度:根据公式可解得在特定温度下扩散的时间:3.3.4发射区硼再扩散时间计算发射区硼再扩散温度为1200,即1473K在1473K时,硼在硅中的扩散系数为:由于预扩散的结深很浅,可将它忽略,故再扩散结深:化简上式可得:解得发射区硼再扩散时间:t=6571s=1。

83h3.3.5基区磷扩散需要的氧化层厚度杂质元素磷(P)1.75硼(B)3.50表2:二氧化硅中磷和硼的与氧化层厚度的最小值由发射区主扩温度为1000,预扩时间为209S,磷元素在硅中的DO与激活能E为了便于后续的氧化时间的计算及湿法干法的分配,最终取基区磷扩散需要的氧化层厚度为。3.3.6发射区硼扩散需要的氧化层厚度氧化层厚度的最小值由发射区主扩温度为1100,预扩时间为1233S由于最小氧化层厚度小于,考虑到生产的实际情况,最终取发射区硼扩散需要的氧化层厚度为。3.3.7氧化时间的计算A()B()B/A()干氧0。

094.56湿氧(95℃水汽)0.110表31100℃的干氧和湿氧的氧化速率常数A()B()B/A()干氧0.041.62湿氧(95℃水汽)0.050表41200℃的干氧和湿氧的氧化速率常数(1)基区氧化时间的计算以上已经计算出基区磷扩散需要的氧化层厚度为。根据合适的氧化时间,将分配:先干氧500,然后湿氧5000,最后再干氧500干氧氧化:解得t=11min湿氧氧化:解得t=36min(2)发射区氧化时间计算以上已经计算出发射区硼扩散需要的氧化层厚度为。根据合适的氧化时间。

将分配:先干氧1000,然后湿氧5000,最后再干氧1000干氧氧化:解得t=17min湿氧氧化:解得t=22.9min3.3.8设计参数总结整个pnp双极晶体管设计的相关参数通过表5总结如下。参数发射区(E)基区(B)集电区(C)材料参数结构参数面积Ae=30um2Ab=100um2Ac=500um2扩散温度和时间(s)预扩散t=10000C3.5mint=10000C20.5min再扩散t=12000C1.83ht=13000C2h氧化层厚度氧化时间干氧氧化11min湿氧氧化36min干氧氧化11min干氧氧化34min湿氧氧化22。

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