文档介绍：超高频晶体管设计总方案 第二组 Present
400 MHz 9 W硅NPN超高频功率晶体管设计方案:
(应用方向)
随着工农业生产和国防建设的发展,在通信、电视、自动控制和遥测、遥控等方面需要的高频大功率晶体管数目日益增多,参数水平也越来越高。
(仪器类型) 通讯机(应用类型) 甲类功率放大
(具体位置) 末级功率放大。
请具体说明你所选方案的功能: 通过P,B扩散形成NPN,覆盖型结构,采用G1型封装,用功率晶体管特性图示仪和功率增益测试仪,加钝化技术,淀积一层低密度二氧化硅,加G1型散热片。
此PNP/NPN超高频功率晶体管在电路中的大多用于甲、乙、丙类工作状态,但在本次设计中我们把它设定运用在甲类工作状态,并应用于共射级形式,因此其基本参数指标为:
f = 400 MHz ; PO = 9 W ; Kp = 5 dB
Vcc = 12 V ; η= 。
指标分析:
(1)集电极维持电压(Vsus)
在共射级甲类运用的条件下,晶体管的集电极-.所以,为了保证晶体管能安全的工作,集电极维持电压应为
Vsus ≥ = 24 V
(2)最大集电极电流(Icm)
晶体管在甲类工作时,最大集电极电流应为
Ic m ≥ 4PO/Vcc = 3 A
下面我们按照Ic m = 3 A进行设计。
(3)最大耗散功率(Pcm)
根据设计指标,PO = 9 W, η= ,电源提供的直流功率应为PD = PO/η= W
为使在负载开路、短路、失谐的情况下,晶体管仍能安全地承受电源提供的全部直流功率,因此,最大耗散功率定为:Pcm = PD = W
(4)热阻
对于硅材料,最高结温Tjm为
Tj m = 6400/(+lnρc) (3—1)
式中ρc为外延材料的电阻率。由式可见,当外延集电区电阻率ρc< 5cm·Ω时,Tj m>200℃。考虑到降低最高结温有利于晶体管的可靠性和稳定性,故选取Tj m=175℃,同时选取环境温度Ta=25℃。由此得到的晶体管热阻为
RT = (Tj m-Ta)/ Pc m= ℃/W
(5)高频优值和特征频率
在工作频率为 400 MHz,若要满足KP≥ 倍,则高频优值
*1017 。
根据fT的选取原则,工作频率f= 400 MHz。结合制作工艺的限制,因此取fT = 800 MHz比较合适,则
≤ *10-11 S
综合上面的分析结果,得到主要参数指标如下:
V sus ≥ 24 V Icm = 3 A Pcm = W
RT = ℃/W fT = 800 MHz KP·f2≥ *1017 Hz2
 
≤ *10-11 S
综合以上分析,在设计过程中,应该着力解决以下两对矛盾:一是高频率和大功率的矛盾,二是设计指标与加工难度的矛盾。
对于前者,在晶体管处于大注入工作状态时,会产生集电极电流集边效应、基区电导调制效应和基区宽变效应等,以上效应会对基区渡越时间τB进而对特征频率fT产生影响;对基区电阻rb、有效基区宽度Wb、集电极电容等等均会有所改变;
此外,设计指标中,为了使功率晶体管既能达到比较高的设计使用指标要求,同时又要考虑到加工难度不能过高,要符合目前的加工工艺水平,这就要求对各方面要求要综合考虑,找到最优方案。
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纵向结构参数主要是指结深、基区宽度、外延材料的电阻率和厚度以及各区中杂质的表面浓度和薄层电阻,下面分别进行估算。
(1)集电极外延材料电阻率的选取
集电区外延材料杂质浓度Nc主要由集电结击穿电压决定,据集电极维持电压Vsus= 24 V的要求,由式,对于硅npn平面型晶体管,取n= 4 , = 80 ,可算得 72 V。查图[1],