微波功率SiGe HBT热不稳定性改善技术研究

摘要

异质结双极型晶体管(HBT)在微波功率领域具有举足轻重的地位。在功率应用时，晶体管本身内部产生的耗散功率导致自热效应，使晶体管的电学性能产生退化；同时，功率晶体管通常采用多发射极条阵列结构，但由于各发射极条之间的热耦合效应，使得芯片表面温度分布不均匀，增加了晶体管的热不稳定性。自热和热耦合的存在严重限制晶体管的功率处理能力。 首先，本论文从热电反馈角度，在考虑到晶体管发射极电流随温度的变化、发射结价带不连续性(△Ev)、重掺杂禁带变窄(△Eg)及基极和发射极加入镇流电阻(RB和RE)等情况下，较全面地给出了功率晶体管热稳定因子S表达式。用该表达式可以方便、明了地对功率双极晶体管进行热稳定性分析。 其次，从晶体管I-V特性的角度表征了功率HBT的自加热效应。研究了热阻、工作电压、电流增益、发射结价带不连续性(△Ev)等诸多因素对晶体管I-V特性的影响，同时还研究了为补偿晶体管自加热效应所加镇流电阻对热稳定性的改善情况，进而给出了晶体管热稳定所需最小发射极镇流电阻(REmin)与这些因素的关系。 另外，工作中采用自洽迭代数值计算方法，对多发射极微波功率SiGeHBT芯片热电耦合效应进行了模拟和分析。结果表明，通过对晶体管发射极条长、条间距以及镇流电阻的非均匀设计，可以有效的改善芯片温度分布的不均匀性，提高晶体管的热稳定性和功率处理能力，同时得出了一系列行之有效的非均匀设计规则。此外，在芯片最高结温一定的情况下，采用以上非均匀结构设计晶体管均可显著地提高晶体管的输出功率。 最后，以清华大学微电子所提供的非自对准双台面多晶硅发射极SiGeHBT制作工艺为基础进行了详细的工艺设计。根据理论和模拟结果的指导，结合具体工艺条件的限制和要求，同时本着便于对其电学及热学特性进行分析对比的原则，提出了不同发射极条长、条宽、条间距和镇流电阻的各种均匀及非均匀晶体管的结构和版图设计方案。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第1章绪论

第2章晶体管的热稳定因子

第3章HBT自加热效应的补偿方法

第4章非均匀设计对晶体管热电耦合效应的改善

第5章SiGe HBT的工艺、结构及版图设计

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢