TIP41C低频大功率平面晶体管芯片设计

0 引言

TIP41C是一种中压低频大功率线性开关晶体管。该器件设计的重点是它的极限参数。设计反压较高的大功率晶体管时，首先是如何提高晶体管的反压，降低集电区杂质浓度NC。但由于电阻率ρC的增大，集电区体电阻上的电压降会增大，从而使饱和压降增大到不允许的程度。而减小NC又会使空间电荷限制效应发生，从而造成大电流β的急剧下降。为解决上述矛盾，设计时一般采用外延结构。

事实上，TIP41C低频大功率平面晶体管在设计上应采用深扩散、厚基区、大面积宽电极等结构，管芯的纵向尺寸应比较厚，横向尺寸应比较宽。控制管芯面积在2×2 mm2左右时，可采用覆盖式结构设计光刻版图，这样就能尽可能增加发射区周长，满足电流要求，也能使电流分布更均匀。为此，本文给出了一种开发T1P41／2C低频大功率平面晶体管的设计方法。

1 TIP41C芯片的参数要求

TIP41C晶体管极限参数要求如下：

PC：集电极功率耗散(Tc=25℃)为65 W

BVCEO：集电极-发射极电压为100 V

BVEBO：发射极-基极电压为5 V

IC:集电极电流为6A

TlP41C的直流电参数如表1所列。

2 TIP41C的设计计算

对于以上设计要求，可通过理论计算来确定TIP41C晶体管各部分的杂质浓度及结构尺寸。

2.1 集电结的结深和外延层电阻率的确定

若选取集电结结深xjc等于8μm，那么，根据BVCEO≥100 V，且，则有： 。考虑到余量的充分性，可取BVCEO等于280 V为设计目标。假设基区表面杂质浓度(硼扩)NSB为1018cm-3，而结深为8μm，那么，查表得出的外延层材料的杂质浓度NC为2×1014cm-3，相应的电阻率ρc为24 Ω·cm。所以，可取外延材料的电阻率为25±1Ω·cm。

2.2 基区宽度Wb和发射结结深xje的确定

低频大功率晶体管的Wb、xje主要根据击穿电压和安全工作的需要来选定。图1是集电结附近的杂质分布和势垒情况，其中x1和x2分别是集电结在基区部分和集电区部分的势垒宽度，它们的总势垒宽度是δ=x1+x2。这样，在NC为2×1014cm-3、NSB为1018 cm-3、V为280 V的条件下，查表可得δ=35μm，x1／δ=0.07，此时x1为2.45μm。

为了保证击穿电压的要求，应尽可能的提高二次击穿耐压量，晶体管的基区宽度应大于2.45μm，但又不能太大，否则基区输运系数η会减小。从而使电流放大系数减小，因此应选择基区宽度Wb=3μm。由于集电结结深xjc=Wb+xje=8μm，因此，一般来说，发射结xje应等于基区宽度的1.0～2.5倍。综合以上考虑，可确定基区宽度Wb为3μm，发射结结深xje为5μm。

2.3 外延层厚度T的确定

外延层厚度T至少应等于集电区厚度WC、集电结结深xje、反扩散层三部分之和。为了能达到BVCBO指标，集电区高阻层厚度WC应大于为集电结雪崩击穿时对应的空间电荷宽度XmB。

从改善雪崩注入二次击穿的角度考虑，希望集电区厚度WC≥BVCBO／EM，其中EM为最大电场强度。

南于TIP41C晶体管的BVCBO要求为280 V，因此，对于电阻率ρc为25 Ω·cm的硅晶体管，集电区厚度WC≈20μm。假设使用掺As衬底材料，反扩散层厚为2μm，则外延层厚度T应等于30μm。所以，可取材料外延层厚度为30+2μm。

2.4 基区硼扩散浓度的确定

为改善晶体管的大电流特性，基区硼扩散浓度应高一些，但基区杂质浓度太高又会降低BVEBO，所以，应在保证BYEBO≥5 V的前提下尽量提高基区浓度。基区杂质沉积可采用离子注人工艺，当基区再分布后，可认为基区受主杂质的再分布是高斯函数分布。若试用表面浓度NSB等于1018cm-3来分析，则：



式中：N(x，t)为硅片中任意一点x处的杂质浓度： 。为表面浓度，它是时间t的函数，其中Q为掺杂总量；
 
事实上，在xjc=8μm处，有：

因此有：



这样，有：

查高斯函数表得：

而在发射结xje为5μm处有：

再查高斯函数表得：

即有：

由此发射结处质浓度可查表得



考虑到边缘击穿，击穿电压有一定的下降，但也能满足BVEBO≥5 V。而用NC=2×1014cm-3NSB=1018cm-3，xje=8μm便可查曲线得出基区的方块电阻R□b为100 Ω／口。

2.5 发射区磷扩散浓度的确定

为了保证有足够的放大系数，要求发射区的磷扩散表面浓度约为1021cm-3。这在xje=5μm，NSB=1018cm-3的条件下，可查曲线估算出发射区方块电阻R□e为1 Ω／口，但在实际工作中，一般R□e以满足放大系数hEE为前提。因此，为了保证TIP41C发射区扩散有足够高的杂质浓度，发射区扩散采用三氯氧磷液态源工艺。

3 TIP41C晶体管的设计参数

TIP41C的纵向和横向结构参数如表2所列。该芯片的工艺流程如下：

N型外延片→一次氧化→一次光刻→干氧氧化→B离子注入→深基区扩散→二次光刻→磷预淀积→发射区扩散→特性光刻→特性hFE测试→P吸杂(PSG)→PLTO(低温氧化)→H2处理→三次光刻→QC检测(hFE、BVCBO、BVCEO)→蒸铝→四次光刻→铝合金→QC检测VBESAT→五次光刻→PI胶钝化→中测抽检电参数→背面减薄(220μm)→蒸银→中测测试电参数→入库
图2所示是TIP41C的纵向结构图。

由于作者所在单位的生产车间设计比较简单，车间环境净化程度不高，因此，在一次氧化、基区扩散工艺中采用TCA工艺来对一次氧化、二次氧化过程中Na+的污染进行有效控制，发射区扩散采用P-吸杂工艺来控制三次氧化过程中Na+的产生，表面钝化则采用PI胶工艺来保证外界环境不影响芯片表面，同时进一步吸收、稳定氧化层正电中心的移动，从而使芯片ICEO漏电大大减少，目前，TIP41C的电参数达到国际先进水平。

4 结束语

大量生产数据表明，我司设计的TIP41C晶体管芯片生产成本低，芯片尺寸1.78×1.78 mm2(为目前市场最小)，生产原材料完全采用国产材料，目前，该芯片的关键电参数(大电流特性和饱和压降)已达到国际先进水平，因而具有极强的市场竞争力。