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晶体管设计.ppt

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课程设计及设计性试验 -晶体管设计,一、引言,,二、晶体管设计,(一)晶体管特性概述进行晶体管设计,是对晶体管基本理论的一次综合运用过程,是理论结合实践的一个重要部分。但前面所学的基本理论只能反映晶体管内部的基本规律,而且这些规律性往往是在忽略很多次要因素的情况下得到的,特别对工艺因素的影响基本上没有考虑进去。因此,设计过程中必须注意引入从生产实践中总结出的经验数据。同时要边设计,边试制,经过多次反复,将存在的主要问题反映出来,然后再进行综合分析和调整,最后提出比较切实可行的设计方案。,(二)各个物理、几何参数对器件特性的影响,双极晶体管的主要电学参数可分为直流参数、交流参数和极限参数三大类。1、直流参数(1)共射电流放大系数β:主要与Wb、NB(基区平均杂质浓度)、NE(发射区平均杂质浓度)有关;(2)反向饱和电流ICBO、ICEO、IEBO:主要由寿命τ,空间电荷区宽度xm(N)决定;(3)饱和压降VCES:主要与rb(Wb、NB)和rCS(NC、WC、AC)有关;(4)输入正向压降VBES:主要与rb(Wb、NB、)有关。,2.交流参数(1)特征频率fT:由传输延迟时间τeC决定, τe (Ae、NE)、τb(Wb、NB)、τc(Ac、NC)和τd(NC); (2)功率增益GP:主要由fT、Cc(AC、Apad)和rb(Wb、NB)决定;(3)开关时间ton和toff:主要与Ae、AC、基区和集电区少子寿命τ和集电区厚度WC有关;(4)噪声系数NF:NF主要由rb和fT决定。,3.极限参数(1)击穿电压BVCEO、BVCBO、BVEBO:BVCBO主要由NC、WC和xjC决定,BVEBO主要由发射结侧壁基区表面浓度决定;(2)集电极最大电流Icm:与发射极总周长LE、集电区杂质浓度NC有关;(3)最大耗散功率Pcm:主要与热阻RT(基区面积Ab、芯片厚度t)有关;(4)二次击穿耐量ESB:主要与NC、WC和镇流电阻RE有关。晶体管的各电学参量之间是相互有关的,而且电学参数随结构参数的变化关系也相当复杂,甚至出现相互矛盾。,(三)晶体管设计的基本原则,尽管双极晶体管的电学参数很多,但对于一种类型的晶体管,其主要电学参数却只有几个。如对于高频大功率管,主要的电学参数是GP、fT、BVCBO、Pcm和Icm等;而高速开关管的主要电学参数则是ton、toff、VCES和VBES。1.必须权衡各电学参数间的关系,正确处理各参数间的矛盾。此外要找出器件的主要电学参数,根据主要电学参数指标进行设计,然后再根据生产实践中取得的经验进行适当调整,以满足其它电学参数的要求。,2.任何一个好的设计方案都比须通过合适的工艺才能实现。因此,在设计中必须正确处理设计指标和工艺条件之间的矛盾。设计前必须了解工艺水平和设备精度,结合工艺水平进行合理设计。3.正确处理技术指标和经济指标间的关系。设计中既要考虑先进的技术指标,也要考虑经济效益。否则,过高的追求先进的技术指标,将是成本过高。同时,在满足设计指标的前提下,尽可能降低参数指标,便于降低对工艺的要求,提高产品成品率。4.在进行产品设计时,一定要考虑器件的稳定性和可靠性。,(四)设计步骤和设计内容,1.设计步骤:(1)根据使用要求选定主要电学参数,确定主要电学参数的设计指标。例如:若用户要求晶体管在频率f=400MHz,电源电压Vcc=28V,转换效率η=40%时,具有5W的功率输出。用户需要的晶体管属于高频大功率管,主要电学参数为GP、fT、BVCBO、Pcm、Icm等。确定了主要电学参数后,设计者的首要任务是确定设计指标。如按P0和η即可确定耗散功率Pcm=P0/η=12.5W,由使用频率选取fT =1.5f= 600MHz等。这样,可将主要电学参数依次确定下来。,(2)根据设计指标的要求,了解同类产品的现有水平和工艺条件,结合设计指标和生产经验进行初步设计。(3)根据初步设计方案,对晶体管的电学参数进行验算,在此基础上,对设计方案进行综合调整和修改。(4)根据初步设计方案进行小批量试制,通过边设计,边试制,暴露问题,解决矛盾,修改和完善设计方案。,2.主要设计内容包括:(1)根据主要参数的设计指标确定器件的纵向结构,如集电区厚度Wc,基区宽度Wb和扩散结深xj等(2)根据设计指标确定器件的图形结构,设计器件的图形尺寸,绘制光刻版图。(3)选取材料,确定材料参数,如电阻率、位错、寿命、晶向等,并制定实施工艺方案。(4)进行热学设计,选取封装形式,选用合适的管壳和散热方式。,(五)晶体管设计举例,1.设计指标:工作频率f为400MHz,输出功率P0为40W,工作电压VCC为28V,效率η为40%,功率增益GP为5dB。2.总体设计:因为器件的功率大,频率高,发射极条细,且条数很多,不可能将全部发射
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