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汽車制造業在超高頻(UHF)頻段的應用要求晶體管不但具有良好的射頻性能，還要很好魯棒性。英飛凌公司生產的BFP460正是一款對應于這種應用的通用的晶體管，它是靜電釋放(ESD)增強型器件。它受益于具有23GHz轉換頻率的雙極硅加工技術，能夠安全地承受任意一對引腳間1500V的ESD脈沖。 這種新型器件的有效性將在一種超高頻低噪聲放大器LNA中得以展示，這種放大器對在汽車制造業中使用非常理想。 現在各種各樣的汽車系統都利用了RF技術，包括無鍵遙控輸入(RKE)、GPS、衛星數字式聲頻無線電服務(SDARS)和輪胎壓力監控系統(TPMS)。這些系統中的每一個都要求射頻模塊具有成本低、耐用度/強度高的優良性能(表1)。 由于RF器件按照越小的尺寸為越高的頻率所使用的這一規定，所以當擊穿電壓下降(從典型值50 V 到3 V左右)的時候，它們有呈現出更高的電流密度(在一個典型的晶體管的工作點上大約3mA/μm2或300,000A/cm2)的趨勢。 擊穿電壓和最適宜的電流密度是由集電極的厚度和所摻雜質決定的。對于一個高轉換頻率，集電極必須要薄。為了得到高增益，所有內部寄生電容必須要小，這是橫向尺寸規格縮小的推動因素，但是同時也使晶體管的ESD更容易損壞。 嚴格的晶體管ESD損壞機制研究表明在器件ESD的強度上仍有提升的空間。分立的BFP460晶體管加入了一些這樣的研究結果，目的是承受當達到23 GHz的截止頻率時1500V的人體模型(HBM)脈沖，在1.8 GHz時有17.5 dB的最大穩定增益和1.1 dB的最小噪聲數字。 最廣泛被使用的ESD 測試標準是HBM，詳見MIL STD 883D 。在這個標準中，一個100pF的電容被參考電壓VREF充電。隨后參考電壓被斷開，在測試中，當當電容經過一系列的1,500Ω電阻接到待測器件上的時候又會被充電。這個電路裝置可以被看成電流源。 當參考電壓為100 V時，被用來作為對ESD來說具有器件體積小和靈敏度更高的低噪聲晶體管，而當電壓達到5,000 V時，則被用作較舊式的，較低性能的大體積晶體管。DUT被認為是一種評定特殊ESD等級的方式，即在電壓值為VREF的時候，它能經受得住這些測試的考驗，且其性能沒有下降，也沒有出現故障。盡管ESD測試如今也可能用到晶片上芯片等級的評定上，但作為代表的是其已在封裝器件中得以使用。作為一種對人體標準可供選擇的方法，傳輸線脈沖測量(TLP)經常被用來估計ESD的容限。 一個ESD 脈沖最好被理解成器件內部的一個急劇電流波動。對于第一階的近似值來說，假設在器件經歷這個電流波動期間整個事件發生的非常快以至于熱量都來不及傳播和消耗的話，它就是有效的。結果，由ESD感應電流波動引起的溫度上升與電流密度的平方成正比，而且電流密度存在一個極限值，超過這個值實際上就會使器件中的硅熔化。 事實上，硅材料的融化會導致器件故障。由于電流密度是導致器件故障的關鍵一條，所以具有較大發射極邊緣面或面積的晶體管就比小一些的更耐用。與普遍看法相反，在集電極-發射極之間的擊穿電壓VCEO與其阻抗和ESD損壞并沒有相互關系。 為了提高耐用性，RF集成電路設計師們已經開發了ESD內部保護結構，用來幫助保護ESD靈敏的RF輸入和輸出端免受有害ESD事件的影響。但比較遺憾的是這些保護結構也在RF端加入了寄生電容，電感和損耗，因此導致其性能下降，同時也使得這種結構不適合與分立器件(對性能要求更高)一起使用。 在一個像雙極晶體管這樣的三引腳器件中，經由器件的任意兩個引腳一共有六種可能的方式來應用ESD 脈沖，而未使用的器件引腳仍然是開路(未連接)。通常當ESD 脈沖反方向接在PN結兩端的時候晶體管最容易損壞。而依賴于特殊半導體工藝技術，集電極-基極結通常是微弱的連接在RF晶體管上。 在發生ESD期間，基極-集電極的空間電荷被壓入高度摻雜質的底層(或RF IC中的隱埋層)。這種情形與所謂的Kirk效應非常相似。幾乎整個晶體管的電壓都加在了集電極地層，增強了這個區域的磁場強度(集電極區域的自由電子密度已經超過了摻雜密度)。因為集電極的自由電荷必須被極性相反的電荷補償，它們能夠中和的唯一的區域就是高度摻雜層(或隱埋層)。就硅而言，如果這個磁場達到了大約3×105V/cm的內部擊穿磁場強度的時候，那么大量的撞擊離子就出現了。形成了更多的自由載體(電子和空穴)并發生逃逸，同時外部電壓擊穿。在VCEO突變后的這種作用在參考1中被稱為“二次激變”。 ESD脈沖包含的大多數能量都被釋放在磁場強度最高的地方，這一點增加了局部器件溫度。由于具有內在傳導機制，這反而又增加了自由載體的數量。借助于一個正反饋機制這個過程就這樣周而復始的繼續下去，結果，電流會逐漸聚集一個越來越小的點上，隨后硅材料會被融化并燒毀。 在某種程度上，電流路徑上一系列分布阻抗能夠幫助避免ESD感應波動電流的聚集。 一系列的阻抗使得波動電流呈分布狀態，并能幫助避免隨后的破壞發生。晶體管單元的細心設計也能幫助避免此類破壞作用。例如，晶體殘缺不完整，邊緣過于鋒利，拐角的斷開都可以導致局部電場強度增加，這些缺陷都是應該被避免的。 一個減少ESD感應磁場的直接方式是通過選擇降低層中摻雜質的密度，用來分散相反極性的電荷更加深入的進入層內。可遺憾的是，這種方法影響了層阻抗(和RF性能)。一種更好的方法是在底層和集電極區域之間插入一個過渡層。這個過渡區域的摻雜質密集度要比活躍的集電極區域高，但是要比底層的低；盡管如此，它必須要足夠高到使這個過渡區在正常的工作中可以被當作一個層(圖1)。這種設計方法被運用到了BFP460中用來把ESD的容限從300V提升到1500V(具有64um2發射極區域的封裝器件)。 仿真性能 利用DESSIS CAE仿真器可以獲取更多ESD的機制。過程仿真器DIOS作為基本射頻晶體管單元分析的第一步，可用在兩種配置下，即帶有或者不帶緩沖層。在ESD仿真中，要為物理模型設計一個HBM電路，且電容器的放電可以在時域內計算出來。由于反向脈沖負載下的基極－集電極的性能很差，因而常用來做分析。 參考電容可以達到3000V并且最高電流密度可達到12.6 mA/μm2(圖2)。對于普通的晶體管，場的異常高區域通常在集電極襯底層邊緣處，然而可以利用緩沖區來有效的降低它，這是由于ESD電流中的自由電子的補償作用分布的更深更廣。而且在內部基極連接處，很高的電流密度也會導致高能電場的產生。通過對很多案例分析發現，該處的硅已經融化了。 圖3中的電流-電壓(I-V)曲線顯示了緩沖層的作用。曲線是在很多時間段上繪制的，利用箭頭合標記來標明時間的發展方向。雪崩效應和電壓崩潰的并發造成了曲線前端的不穩定，這是由自由空穴引起的但不影響ESD分析。帶有緩沖層的器件具有負斜率的I-V特性：如果雪崩效應在一點變得強烈，該處的電壓會上升。如果電壓穩定并均衡，就不會出現電流擁擠的現象。 在分散的射頻晶體管的生產向英飛凌的新流程“自排列雙極性方法”的過渡中，有機會對BFP460做新的設計。在新流程中，發射極是利用對n極層的沉積來取代以前摻雜砷的方法。該方法嚴格控制生產過程的參數，并在參數的小范圍內實現對晶體管高容量運行的控制。 例如平板射頻晶體管的直流電流增益(hFE)通常在一個很寬的范圍內分布，但在BFP460的生產中，卻在很小的范圍內(100到150之間)可控。 盡管ESD增強的晶體管的適用范圍很廣(圖4)，但在超高頻的寬帶反饋的LNA(低噪聲放大器)中仍采用BFP460。這種特殊的LNA可在315和434MHz上增強RKE和TPMS的射頻芯片接收器的范圍和敏感度，它由九部分組成，其中包括BFP460晶體管。為了降低成本，用電阻和電容來替代貼片電感(感應器)。其應用板上帶有一種可選的低功耗極總帶通濾波器，中心頻率設為315MHz，并可重設為434MHz，可以用來降低通帶外被過濾掉的信號對RKE接收器的影響。應用板支持LNA以及濾波器的自測試，或者二者同時測試。 LNA可以無條件的穩定，并在300到1000MHz上具有良好的回波損失、增益以及噪聲等有良好的性能。它可以工作在315、434或者900MHz的ISM帶寬之內，且無需更改任何設置。感興趣的讀者可以通過與本文作者或者本雜志聯系以獲取LNA的物料清單。基于BFP460的應用板可以從英飛凌獲得。 |
