基于硅衬底的NPN型超高频低噪声晶体管的研制方法

吴贵阳

【摘要】文章从器件结构设计、热学设计以及可靠性设计三个方面分析了基于硅衬底的NPN型超高频低噪声晶体管的研制技术，旨在为研究人员提供相关经验参考。

【关键词】NPN;超高频低噪声;晶体管;研制方法

前言

微波集成电路的发展在不断更新，主要以小型化、毫米波为主，在体积上要求器件尽可能小，这样利于使用频率的进一步提高。NPN型硅超高频低噪声晶体管是一种微波半导体器件，其特点是：超高频性好、功率高、噪声低，被广泛运用在超高频或直流信号放大，混频、变频或者低噪声放大的电路中，也可运用于星载天线接受信号的放大等，是各微波通信中的重要组成器件。因此相比通用型产品，超高频低噪声晶体管的研制必须有更高要求，文章分析了该器件的主要研制方法，意在给相关人员提供参考。

NPN型硅超高频低噪声晶体管的主要研制方法有：

1.器件结构设计

纵向结构：根据放大、耐压、频率、噪声等参数要求，进行材料及扩散杂质的参数设计，其包含了芯片各层次厚度、衬底片电阻率以及厚度、外延层电阻率及厚度、基区浓硼区及淡硼区的扩散表面浓度、发射结结深、多晶发射极浓度分布等。

横向参数：根据设计规则进行管芯版图设计，包含确定芯片面积尺寸，选择、决定几何图形结构，发射条的条长、宽度和数量，基极欧姆接触条，发射极边缘最小间距以及发射面积，提高周长面积比等。

热学设计：最高结温和热阻。器件所有的设计均要考虑管芯的安装以及散热均匀性等问题。

具体的设计步骤为：

（1）按照电学相关指标的要求以及已有生产水平，加上已有经验，对晶体管基本结构及参数进行初步设定，并设计相关实现方案。

（2）应用晶体管相关原理核算并验证初步方案，同时按需调整。因为此前大多理论建立于理想情况之下，在实际情况中即使运用了简单模型，在真正实行过程中依然会出现一些难预料因素，导致设计和计划存在偏离。因此，在进行晶体管设计的过程中，不应该指望一次性成功。设计时需与实际情况相结合，无需追求过高的计算精准度，尽可能使用经验公式及相关数据。

（3）使用计算机技术如Silvaco TCAD模拟初步设计的晶体管，按照所模拟的结果更改或者调整设计方案，直至满足相应的要求，实际流片时，可采用多目标版进行方案验证，以提高效率。

（4）批量检验，对已经制造出来的晶体管进行检测，检测过程中发现问题并分析解决问题，继续修改相应的设计方案，再实行模拟，得出新的方案。

（5）按照新的方案实施并制造，不断修改和完善，直至完全达到相关要求之后，再确定量产产品版图和工艺条件，对产品定型[1]。

2.热学设计

最大耗散功率以及最高工作结温：晶体管于甲类运放中的最大功耗理论值是50%，但因为器件本身有VCES及ICEO，实际的功耗会低于50%。输入直流功率时，输出功率PO=ηP电源，转变成热量功耗后PC=P电源-ηP电源=（1-η）P电源。若没有输入或者输出信号（PO=0），功耗达最大值，PCM=PO/η。进行甲类运放时，晶体管最大功耗PCM需满足以上条件。通常硅基晶体管最大结温为=150～200℃，若最高结温从200℃下降为150℃，其平均的失效时间会增加至5倍[2]。因此热学设计需要从芯片面积、封装散热能力等方面进行综合考虑，最终目的是降低热阻，提高最大耗散功率和最高工作结温。

3.可靠性设计

可靠性与产品的结构设计及工艺设计有很高的关联度，相关影响因素较多，需要逐一应对。如高浓度磷扩散所在的基区相关工藝辐射于晶体管区，易出现很多缺陷，若使用薄基区，可对复合过程会形成一定限制，同时有利于少子寿命的增加，也弥补了电流相关系数不足之处。在进行芯片制作时，也可使用双层Si3N4技术，该技术的优点是结构紧密、高电绝缘、不受Na+离子污染等。尤其是Si3N4的钝化层能够有效提高芯片抗辐射的效果，减少核辐射以及电离辐射对其内部造成伤害，减少电路失效的情况。在生产过程中，具体操作对芯片质量也有影响，如清洗或者夹片、测试，在这些环节当中若有处理不当，便会导致晶片弯曲或者光刻缺陷等隐患。此外，晶体管的使用温度过高，也会使材料快速老化，发生离子迁移、金属化合物的合成、蠕变、微观结构重排、绝缘材料分子化等情况，使晶体管的功能发生退化。因此，将温度适当地降低，晶体管更不容易失效，但不能将温度大幅降低，因为温度过低同样会使晶体管部分功能退化，例如：hFE下降，温度过低还会使材料收缩或者断裂。就温度方面来看，高温或者低温循环变化，相较于恒定的低温亦或是高温，对晶体管的可靠性有更大影响。由于长时间热胀冷缩，会导致管中不同的结构和材料存在热匹配问题，最后出现材料开裂、内引线的强度变低、芯片的强度降低以及性能变化等情况。另外，机械的应力对器件可靠性也有很大影响，主要是振动、冲击以及热机械间互相作用，影响最大的是振动。机械的应力会导致晶体管在结构上失常，键合以及连接的部位失去效果等。机械的相互作用能够导致晶体管材料以及互联发生不同程度的膨胀，同时引发热扩散变形或者位移。此外，如果器件的内部存在装配亦或是封焊时所遗留的自由粒子，所有的自由粒子达到足够的质量，便会对超高频振动亦或加速超重运行的管结构造成很大的破坏，最后导致严重的失效[3]。综合来看，以上情况都应该采取相应措施进行规避。

结语

NPN型硅超高频低噪声晶体管是一种微波半导体的器件，其特点是：有良好的超高频特性、噪声小、高功率增益，该器件被大量运用在超高频或者超超高频信号放大、变频、混频、低噪音的放大、非饱和开关等相关电路中。近些年来，该器件被更多运用在卫星项目里，因此，关于该器件的研发要求在逐步提高。因为该器件的研制要求偏高，而且其产品的性能以及参数存在不稳定性，因此生产难度高，成品率低，在满足客户方面存在极大的限制。此次研究中，针对器件特性，分析了NPN型硅超高频低噪声晶体管的研制方法，给相关研制平台提供一定的数据和方法参考，也希望相关研究单位能够进一步提升该器件的研制水平，提高产品的质量，满足国内对该器件的使用需求。

【参考文献】

[1]段丙皇，熊涔，陈泉佑，赵洪超.硅基管脉冲中子辐射效应TCAD仿真[J].数值计算与计算机应用，2020，41（02）：159-168.

[2]张进山.NPN型硅三极管应用电路设计[J].电子制作，2017（11）：5-8.

[3]龙铭刚，吴胜利，刘逸为，张劲涛.纳米沟道真空场发射管的制备及其特性研究[J].真空科学与技术学报，2019，39（05）：414-419.