带温度保护电路的SiGe功率晶体管设计

论文摘要

随着半导体工艺技术的快速发展,SiGe HBT(异质结双极性晶体管)以其优异的频率和功率特性以及材料、工艺和价格等方面的优势,在高频功率领域得到了越来越广泛的应用。但随着集成电路在现代电子工业中的广泛使用,其功能越来越强,集成度也越来越高。而集成电路器件尺寸的不断缩小,使得芯片中晶体管经常工作在较高的电流密度下;同时,由于现有SOI技术以及低热阻率介质在器件隔离技术的应用,使得由器件与电路本身产生的耗散功率而引起的自加热和热耦合效应对器件的影响越来越显著,加剧了芯片表面温度分布的不均匀性,这样很容易导致器件在功率应用时产生退化和烧毁。SiGe HBT放大虽然有很多优点,但长期以来,电流集中,温度过热现象一直是影响其可靠性,制约其使用寿命的主要问题。本文详细分析了功率SiGe HBT的材料结构,生产工艺、应用方式,及其温度特性与电学特性之间的关系,总结了大功率SiGe HBT容易在工作中产生过热的原因。分别讨论了多种对其进行过热保护的可行办法。然后然后利用SiGe与传统的硅工艺技术兼容,尤其是于CMOS工艺兼容等特点,提出了专门适用于对SiGe晶体管进行热保护的,简单可靠的办法,即设计一种便于集成在功放芯片内部的过温保护电路。使用此种解决方案,可以避免输出镇流电阻对功率放大增益降低的影响,也不用进行大量的数学运算和调试,来修改调整发射极条。它设计简单,工艺方便,通用性强,可用于各种不同的功率芯片上。在设计热保护电路时,本文先简单介绍了其工作原理,再根据一般热保护电路应用中的多个要求,分别讨论设计了对应的功能模块:温度传感器;迟滞比较器;电流镜;使能输入结构。并对热保护电路的核心:迟滞比较器电路在诸如:电压分辨率,不同信号下的频率响应,传输时延,以及整体电路的工作进行了仿真。经检验成功实现了对功率SiGe HBT的有效保护。所以本文对SiGe HBT功放芯片的热保护解决方法简便有效,切实可行。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 SiGe HBT 的研究及应用现状
• 1.3 论文的意义和内容
• 第二章 SiGe HBT 的基本原理与性能分析
• 2.1 SiGe 功率晶体管简介
• 2.2 SiGe 材料的优点
• 2.3 SiGe 材料性能
• 2.3.1 SiGe 晶格性质和特点
• 2.3.2 SiGe 材料的能带原理和分析
• 2.4 SiGe HBT 的常用结构
• 2.5 SiGe HBT 性能优势分析
• 第三章 SiGe HBT 的电热特性分析
• 3.1 SiGe HBT 的电流与温度关系
• 3.1.1 热电反馈
• 3.1.2 热稳定因子S 及其物理意义
• 3.1.3 改善器件热稳定性（减小热稳定因子S）
• 3.1.4 HBT 镇流电阻的完全自热补偿
• 3.2 SiGe 晶体管的结构与温度关系
• 第四章 带温度保护的功率SiGe HBT 设计
• 4.1 功率SiGe HBT 晶体管的主要参数
• 4.1.1 输出功率Pout
• 4.1.2 功率增益
• 4.1.3 功率附加效率PAE（Power Added Efficiency）
• 0'>4.1.4 工作频率f₀
• CC'>4.1.5 工作电压V_CC
• 4.2 纵向结构参数的选取
• 4.2.1 集电区外延层电阻率（掺杂浓度）的确定
• 4.2.2 基区参数的选取
• 4.2.3 集电区厚度的选取
• 4.2.4 发射极厚度和浓度的选取
• 4.3 横向结构参数的选取
• 4.3.1 发射极条的选取
• 4.3.2 基区的面积选取
• 4.4 版图设计
• 第五章 SiGe 管热保护电路设计仿真
• 5.1 热保护电路的组成
• 5.2 热保护电路的分析
• 5.2.1 弱反型区CMOS 管温度传感器
• 5.2.2 电流镜
• 5.2.3 使能输入结构
• 5.2.4 迟滞MOS 管MP12
• 5.2.5 比较器
• 5.3 电路仿真分析
• 5.3.1 比较器分辨率的仿真
• 5.3.2 比较器开环频率仿真
• 5.3.3 比较器传输时延仿真
• 5.3.4 热保护电路整体的仿真
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间取得的研究成果