基于热电模型的多发射极功率HBTs非均匀发射极镇流电阻设计.pdfVIP

第十__士_他◆●牛●俸．t魂-件和光电I件摹拳◆谯 广I囊毒2006年11月 基于热电模型的多发射极功率HBTs非均匀发射极镇流电阻 设计jIc 金冬月t，张万荣，邱建军，高攀，萧莹 (北京工业大学电子信息与工程控制学院，北京，100022) 摘要：在考虑发射结电压随温度的变化和发射极加入镇流电阻的情况下，给出简化的三维热电模型．用以计算功率舶T芯片表 面温度分布．我们发现对于采用均匀发射极镇流电阻的功率HBT，芯片中心发射极条温度很高，进而限制了器件的功率处理能 力．因此我们提出非均匀发射极镇流电阻设计方案，并以12指SiolGe02HBT为例，详细地给出了非均匀发射极镇流电阻设计过 程．结果表明，在总发射极镇流电阻阻值(各指发射极镇流电阻并联值)不变的情况下，非均匀发射极镇流电阻设计与传统的 均匀设计相比i芯片中心结温显著降低，芯片表面温度趋于一致，大大提高了HBT的功率处理能力．同时我们发现当各指发射 极镇流电阻阻值从芯片边缘到中心按e指数分布时。多发射极功率I-IBT的芯片表面温度趋于平均．e指数分布的提出可大大降 低非均匀发射极镇流电阻优化时间，为功率HBT的设计提供指导． 关键词：异质结双极晶体管；熟电模型：发射极镇流电阻 1引言 异质结双极晶体管(硒T)具有高的电流处理能力(高输出功率)、优异的高频特性、较宽 的线形和高的效率，适用于功率放大器、雷达、通讯等领域。HBT功率应用时通常采用多发 射极并联方式，这样的设计可以改善电流处理能力和散热能力，减少沿发射极条长方向的信 号异相延迟时间。然而，每一个条上的自热效应和条间的热耦合使HBT在高功率下晶体管变 得不稳定，严重限制晶体管的功率处理能力u1。 “ 为了削弱多发射极HBT的自加热效应，常常采用发射极镇流电阻的技术，这是防止自热 效应的行之有效、简单易行的办法，现代微波功率HBT仍然普遍采用着。然而传统的多发射 极镇流电阻均为均匀设计(即每个发射极条的镇流电阻值是相等的)。均匀发射极镇流电阻 设计虽然可以通过适当选取镇流电阻阻值来补偿自加热效应，但无法改善由热电耦合效应引 起的热不稳定效应。因此我们提出非均匀发射极镇流电阻设计，来改善功率HBT的热稳定性。 并在考虑发射结电压负温度系数西(由=av雎／所O)和发射极加入镇流电阻的情况下给出改 进的三维热电模型，用以计算功率HBT芯片表面温度分布。并以12指Sio．8GeozHBT为例， 详细给出非均匀发射极镇流电阻设计过程。同时对非均匀发射极镇流电阻分布进行了线性模 拟、二次多项式模拟和e指数模拟。 2热电模型 功率腿T一般采用多发射极梳状结构，工作时可以等效为多个子晶体管的并联，以提高 其功率处理能力，其等效模型如图l(a)所示，其中芯片延x，y，z方向的尺寸分别为L，W和d。 发射极条数为N，芯片底部温度为环境温度To，每个发射极的条长为1，条宽为W。 芯片稳态熟分布满足拉普拉斯方程： V2T(x，Y，z)=0 (1) 边界条件如下所示： 望I ；0 aTI ． 如割_讹y)孔，瓦 苏I，毗 万l卿，-0 路国家重点实验室基金项目．(ProjectSupportedbyNationalNaturalScienceFoundationsofChina(Contract TalentProject(ContractNos．67002013200301)，andNationalKey Nos，BeijingMunicipalTrans-Century LaboratoryforAnalogIntegratedCircuits，China) t电子信箱；jindongyueesohu．COm 753 ，F-1．口l童■化寺■牛●-俸，■【或-I．19-和光-t-N．1q,．411eJIt．,ll,．．ijr． 其中假设热源位于芯片表面(z：O)，P(x，y)为芯片表面功率密度，k(X，Y，z)为芯片的热导率。 采用分离变量法及双边傅里叶级数对(1)进行求解及化简，可以得到各发射极条上温度 T(x，y