【中文摘要】 通过作者最近建立的关于电力半导体器件 GAT的集电结耗尽层电位分布和电场分布的二维解析模型即《GAT栅屏蔽效应二维解析模型》、《GAT实现高频率与高基区穿通电压兼容特性分析》以及《GAT实现高电流增益与高雪崩击穿电压兼容特性分析》,定量研究了优化设计 GAT的材料参数和结构参数的关系。 
【英文摘要】 By the aid of the two dimensional analytical model of the electric potential and field distribution in power semiconductor device GAT′s collector depletion space in the cutoff state,i.e.the two dimensional analytical model to GAT′s gate shielding effect,and the analysis to GAT′s compatibility between high frequency and high base region punchthrough voltage and the analysis to GAT′s compatibility between high current gain and high avalanche brea..

庄宝煌

朱梓忠

李开航

黄美纯

Xiamen University Institutional Repository

GAT的优化设计分析庄宝煌　黄美纯　朱梓忠　李开航(厦门大学物理学系, 361005)19990430收稿, 19991109收改稿摘要: 通过作者最近建立的关于电力半导体器件 GAT 的集电结耗尽层电位分布和电场分布的二维解析模型即《GAT 栅屏蔽效应二维解析模型》、《GAT 实现高频率与高基区穿通电压兼容特性分析》以及《GAT 实现高电流增益与高雪崩击穿电压兼容特性分析》,定量研究了优化设计 GAT的材料参数和结构参数的关系。关键词: 功率器件;联栅晶体管; 优化设计中图分类号: T N323. 4　　文献标识码: A　　文章编号: 1000-3819( 2001) 01-0029-08An Analysis of GAT′s Optimal DesigningZHUANG Baohuang　HUANG M eichun　ZHU Zizhong　LI Kaihang(Dep t. of Phy s. , X iamen Univ . , 361005, CH N )Abstract: By the aid of the tw o-dimensional analy tical model of the elect ric po-tent ial and field distr ibution in pow er sem iconductor device GAT′s co llector deple-tion space in the cuto ff state, i. e. the tw o-dimensional analyt ical model to GAT′sgate shielding ef fect , and the analy sis to GAT′s compat ibility betw een high frequen-cy and high base r eg ion punchthrough voltage and the analysis to GAT′s compati-bility betw een high current gain and high avalanche breakdown vol tag e, w hich w asestablished by the w riters lately , the GAT′s optimal designing relat ion among theparameters of material and st ructure w as invest igated quant itat ively.Key words: power device;GAT; optimal designingEEACC: 2570H1　引　　言Kondo H 和 Yukimoto Y 提出了一种称为GAT ( Gate associated t ransistor)的晶体管[ 1]。由于 GAT 具有所谓的“栅屏蔽效应”,因此实现了双极型常规功率器件无法实现的高频率与第21卷　第1期2001 年 2 月　　　　　固体电子学研究与进展RESEARCH & PROGRESS OF SSE　　　　　　Vol. 21, No . 1Feb. , 2001本文得到国家自然科学基金( No. 69896260-06)和国家高技术研究发展计划( 863-715-010)的资助图 1　条型结构 GATF ig . 1　The GAT w ith strip str ucture高反压以及高反压与高电流增益工艺上的兼容。目前国内已有对 GAT 的研制报告[ 2]。然而,由于至今为止 GAT 工程设计上尚没有严格的定量理论,所以本文将在《GAT 栅屏蔽效应二维解析模型》[ 3]和《GAT 实现高频率与高基区穿通电压兼容特性分析》[ 4]以及《GAT 实现高电流增益与高雪崩击穿电压兼容特性分析》[ 5]的基础上尝试定量研究优化设计 GAT时工艺参数和结构参数之间所应该满足的必要条件和设计原则。功率器件 GAT 横断面图如图 1所示。当集电结反偏电压 V cb大于夹断电压 V p时集电区耗尽层夹断[ 1]。这里,V p =q N-c D22 s( 1. 1)2　优化设计 GAT 的思路双极型功率器件或高反压器件的最大集电极电压 V cb max为基区穿通电压 V PI与雪崩击穿电压BV cbo的最小值,因此对于 GAT 有V cb max GAT = m in {V PI, GAT , BV cbo, GAT } ( 1. 2)同理对于GAT 所对应的 BJT 也有V cb max BJT = min {V PI, BJT , BV cbo, BJT } ( 1. 3)　　至今为止工程上设计 GA T 尚没有严格的定量解析理论。如果工程设计上使得基区穿通电压 V PI大于雪崩击穿电压 BV cbo, 这说明该器件的基区宽度设计得太大,而器件的外延层掺杂浓度也可能设计得太浓, 因此器件发生雪崩击穿时基区尚未穿通。因为器件的基区宽度太宽导致穿通电压太大的同时也导致器件的特征频率 f T 变小,所以这种设计对于器件的工作频率来说不是优化的。另一方面,如果工程设计上使得基区穿通电压 V PI小于雪崩击穿电压 BV cbo, 这说明该器件的外延层掺杂浓度设计得太淡, 而器件的基区宽度也可能设计得太窄,因此器件发生基区穿通时雪崩击穿尚未发生。因为器件的基区宽度太窄导致雪崩击穿电压受到基区穿通的限制,所以这种设计对于高反压器件来说也不是优化的。总之,工程上设计 GAT 或 BJT 为了兼顾频率特性和电压特性要求,应该使得基区穿通电压 V PI等于雪崩击穿电压 BV cbo ,即优化设计 GAT 或 BJT 的必要条件之一为V cb max GAT = V PI ,GAT = BV cb o, GAT ( 1. 4)V cb max BJT = V PI, BJT = BV cbo, BJT ( 1. 5)　　只有在满足式( 1. 4)或( 1. 5)的前提下再来尽量满足设计指标要求(如雪崩击穿电压、特征频率、电流增益等)的设计才有可能是最优化的设计。30 　固　体　电　子　学　研　究　与　进　展　　　　　　　　　　　21卷图 2　“凸”字形 GAT 集电结耗尽层F ig . 2　The convex shape of GAT′s co l-lecto r depletion space3　定量分析优化设计 GAT3. 1　GAT栅屏蔽效应二维解析模型[ 4]简介　　GAT 夹断后单元集电区耗尽层形状近似为“凸”字形,选取平面直角坐标如图 2所示。由文献[ 3]得该“凸”字形内之矩形区域 ABC1D1 的电位分布和电场分布为式( 2. 1)、( 2. 2)。( x , y ) = V cb [ -y2W c2 +yW H( 1 +W H2W c2 )+ ∑∞n= 1anchn x / W Hchn D / W Hsin n yW H]( - D ≤ x ≤ D , 0≤ y ≤ W H) ( 2. 1)E ( x , y ) = - xEoc∑∞n= 1( ann2W cW Hshn xW Hchn DW Hsinn yW H) - yEoc(W c2+ W H22W cW H-yW c)- yEoc∑∞n= 1( ann2W cW Hchn xWHch n DWHcosn yW H) ( - D ≤ x ≤ D , 0≤ y ≤ W H) ( 2. 2)　　图 1中, L 为浓基区 P+阱突入集电区的深度, 2·D 为两相邻单元阱之间的间距, 2·W G为阱宽, W H为集电区耗尽层厚度, W ep为外延层厚度。N e, N-b , N+b , N-c , N+c 分别为发射区、淡基区、浓基区、外延层以及衬底的掺杂浓度。它们满足 N e> N-b , N+b > N-b > N-c , N+c > N-c 。工艺上它们的数量级一般为, N -c ～1014cm - 3, N -b～1017cm - 3, N +b～1019cm - 3, N e～1020cm - 3, N +c～1020cm- 3。这里, W c, E oc及无量纲系数 an分别为W c =2 sV cbqN-c( 3)E oc =2V cbW c=2qN -c V cbs( 4)an =- 4( n ) 3W H2W c2 - ( - 1)n [W H2( W H - L ) 2-W H2W c2 ]+4( n ) 3W H2( W H - L ) 2cosn LW H-4( n ) 2W HW H - Lsinn LW H( 5)并且由电场边界条件有关系式,　∑∞n= 1ann ( - 1)nch( n D / W H)=W H2- W c2W c2 ( 6)这里, W c, E oc分别为相同工艺设计及反偏电压V cb下 GAT 所对应的常规器件 BJT 的集电区耗尽层厚度和一维集电结最大电场的绝对值[ 3]。x, y 分别为 x , y 方向的单位矢量。式( 5) , ( 6)完全确定了GAT 的空间电荷区宽度 W H和 an( n= 1, 2, 3, ⋯)。311 期　　　　　 庄宝煌等: GAT 的优化设计分析 　3. 2　GAT和 BJT的基区穿通电压假设 GAT 和 BJT 的基区穿通电压分别为 V PI ,GAT , V PI, BJT ,而它们的基区宽度分别为 W B,W B0,则由文献[ 4]中的式( 24)、( 25. 2)得,V PI, BJT =q( N -b ) 22 sN-cW B02( 7. 1)而V PI, GATV PI, BJT= 12(W BW B0+W B2W B02 + 4 CW BW B0) ( 7. 2)这里由文献[ 4]定义的兼容因子 C 为,C =LW B0N-cN-b( 7. 3)3. 3　GAT和 BJT的雪崩击穿电压由文献[ 5]得 GAT 或 BJT 的雪崩击穿电压 BV cb o, GAT , BV cbo, BJT为式( 8. 1)～( 8. 6)所确定的解,这里 为 GAT 或 BJT 的共基电流增益, n, p 分别是电子或空穴的离化率。M n ( BV cbo) = 1 ( 8. 1)Mn ( BV cbo) = { 1 -∫W0n exp[∫y0( p - n) dy′] dy }- 1( 8. 2)n = 3. 8× 106 exp( - 1. 75× 106 / E) cm - 1 ( 8. 3)p = 2. 25× 106exp( - 3. 26× 106/ E ) cm- 1( 8. 4)E0 ( y ) =qsN-c ( W c - y ) ≡ E oc( 1 -yW c) , 0≤ y ≤ W c ( 8. 5)E ( y ) = E oc(W c2+ W H22W cW H-yW c) + Eoc∑∞n= 1( nn2W cW H1chn DW Hco sn yW H) , 0≤ y ≤ W H( 8. 6)由式( 3) 和( 4) 有,W c =2 sBV cboqN-c　 及　Eoc =2qN -c BV cb os( 8. 7)这里, W c, Eoc分别由式( 3)和( 4)给出(其中的变量 V cb取 BV cbo) ,而 W H则由式( 5)和( 6)确定(其中的变量 V cb也取 BV cb o)。对于 GAT, W 取 W H,而对于 BJT , W 取 W c;对于 GAT , E 取式( 8. 6)之 E ( y ) ,对于常规器件 BJT , E 取式( 8. 5)之 E0 ( y )。3. 4　优化设计 GAT的定量原则由式( 7. 1)所确定的 V PI , BJT是器件的材料参数 N-c , N-b 以及结构参数 W B0所确定的函数,而由式( 7. 1)～( 7. 3)所确定的 V PI, GAT则是器件的材料参数 N -c , N -b 以及结构参数 L , W B, W B0或 L , D , W B 所确定的函数。另一方面, 由式( 8. 1)～( 8. 7)所确定的 BV cb o, GAT , BV cbo, BJT也是器32 　固　体　电　子　学　研　究　与　进　展　　　　　　　　　　　21卷件的材料参数 N-c , N-b 和结构参数 W B, W B0, L , D 以及共基电流增益 ( 也是器件的材料参数 N-c , N-b 和结构参数 W B, W B0 , L , D 的确定函数)所确定的函数。因此按照上述优化设计GAT 或 BJT 的必要条件式( 1. 4)和( 1. 5)就分别隐含地给出了优化设计 GAT 或 BJT 时器件的材料参数 N-c , N-b 以及结构参数 W B, W B0 , L , D 之间所应该满足的确定的隐函数关系。对于GAT, 这个确定的隐函数关系称为 GA T 的优化设计必要条件,即f GAT( N -c , N -b , W B, L , D ) = 0 ( 9. 1)式( 9. 1)中的五个自变量 N-c , N-b , W B, L , D 最多只有四个是独立变量; 如果事先给定 GAT 器件的材料参数 N-c , N-b ,比如取 N-c ～1014cm- 3, N-b ～1017cm- 3,则该隐函数关系只有三个变量W B, L , D , 它们之间最多只有两个是独立变量。而对于 BJT 来说, 这个确定的隐函数关系称为BJT 器件的优化设计必要条件, 即f BJT ( N -c , N -b , W B0 ) = 0 ( 9. 2)式( 9. 2)中的三个自变量N-c , N-b , W B0最多只有两个是独立变量;如果事先选定BJT 器件的三个自变量N-c , N-b , W B0中的任意两个变量,比如取 N-c ～1014cm- 3, N-b ～1017cm- 3, 则该隐函数关系就唯一确定了结构参数 W B0 ,又比如为了实现某一设计指标如特征频率 f T 取定 W B0=1. 5 m且取 N-b = 1. 0×1017cm- 3,则该隐函数关系也唯一地确定了器件的材料参数 N-c ,这时只有找到与之匹配的外延材料才可能实现优化设计了。3. 5　GAT优化设计必要条件给出 GA T 器件的优化设计必要条件的具体计算步骤为:取 N-c = nC×1014cm- 3, N-b = nb×1017cm- 3,这是F 为法拉, C 为库伦, V 为伏特, m 为微米。这里 nC , nb为无量纲常数。对于器件GAT 一般有nC= 1～6, nb= 1～3。由于 s= r· 0 , r= 11. 8, 0= 8. 85×10- 14F/ cm, q= 1. 6×10- 19C,从而由式( 7. 1)～( 7. 3)计算得V PI, GAT = 382. 86× (W BW B0+W B2W B02 + 4LW B0N-cN-bW BW B0)( nb ) 2nC(W B00. 1× m) 2 ( V)( 10)　　从式( 10)中取 W B= W B0并由雪崩击穿电压的设计指标和优化设计必要条件式( 1. 4)有BV cbo, GAT = 382. 86× ( 1 + 1 +0. 004×L0. 1× mnCnbW B0. 1× m)( nb ) 2nC(W B0. 1× m) 2( V )( 11)令 X =W B0. 1× m, a1 =BV cbo, GAT382. 86VnC( nb ) 2, b1 = 0. 004×L0. 1× mnCnb则由式( 11) 有 a1 = ( 1 + 1 +b1X) X 2 ( 12. 1)令　a2=2a1b1, b2=a12b1,由式( 12. 1)消去根号并整理得,331 期　　　　　 庄宝煌等: GAT 的优化设计分析 　X3+ a2 X2- b2 = 0 ( 12. 2)令　p= -13·a22< 0, q=227·a23- b2并令 X = Y-13·a2代入式( 12. 2)整理得Y3 + pY + q = 0 ( 12. 3)这里 p = -43BV cbo, GAT1. 53144VL0. 1× m nb2,q =BV cbo, GAT382. 86 V2nCnb30. 004× L0. 1× m1627BV cb o, GAT382. 86V( 0. 004×L0. 1× m)2nC- 1 ( 13)　　由式( 13)知: 一般地, p < 0,然而对于雪崩击穿电压的设计指标 BV cbo, GAT为几百伏特( V)的 GAT, q可以大于零也可能小于零,这取决于器件的材料和结构参数。令　 = -12+ i32, 2= -12- i32, 则由式( 12. 3)的求根公式[ 6]可得式( 12. 2)的三个根为X 1 = d +3-q2+ +3-q2- = 　　为实根,当 > 0( - d ) [ - 1 + 2× cos(13arctg--q2) ] ,当 ≤ 0( 14. 1)X 2 = d +3-q2 + +3-q2 -2=为复根,当 > 0( - d) [ - 1 + 2× cos( 13arctg --q2+ 23) ] ,当 ≤ 0( 14. 2)X 3 = d +3-q2+ 2 +3-q2- =为复根,当 > 0( - d) [ - 1 + 2× cos(13arctg--q2+43) ] ,当 ≤ 0( 14. 3)这里,= (q2) 2 + (p3) 3, d = -13a2 = -23BV cb o, GAT382. 86V1nb× ( 0. 004×L0. 1× m) - 1( 14. 4)可以证明[ 6]> 0,有一个实根与一对复根= 0,有三个实根,其中有两个相等< 0,有三个不相等的实根( 15)34 　固　体　电　子　学　研　究　与　进　展　　　　　　　　　　　21卷又可以证明[ 6], 式( 14. 1) , ( 14. 2) , ( 14. 3)有且仅有一个正实根, 该实根给出了优化设计的GAT 的设计指标( BV cbo, GAT )和材料参数( nC, nb ) , 结构参数( L , W B 或 X =W B0. 1 m )之间的显式关系——优化设计必要条件之一。另一方面,由具体的设计指标BV cbo, GAT代入式( 8. 1)～( 8. 6)并利用式( 3) , ( 5) , ( 6)又得到优化设计的 GAT 的设计指标( BV cbo,GAT )和材料参数( nC, nb) ,结构参数( L , D )以及共基电流增益( ,共射电流增益 =1-)之间的隐式关系——优化设计必要条件之二。例 1: 取 N-b = 1×1017cm- 3, N-c = 6×1014cm- 3, L = 15 m, BV cbo,GAT= 500 V, 则由式( 13) , ( 14. 4)有p = - 6. 31679, q= - 10. 94460, d = - 1. 45107, -q2= 5. 47230, = 20. 61083,代入式( 14. 1)～( 14. 3)有, X 1= - 1. 45107+ 2. 15531+ 0. 97693= 1. 68117为唯一的正实数, 而 X 2=- 1. 45107+ 2. 15531 + 0. 97693 2, X 3= - 1. 45107+ 2. 15531 2+ 0. 97693 为复数,舍弃。故对该设计指标的 GAT, 按照上述优化设计理论其基区宽度应该设计为: W B= 0. 1×X 1 m=0. 168117 m, 此乃优化设计的必要条件之一。例 2: 取 N -b = 1×1017 cm - 3, N -c = 1×1014 cm- 3 , L = 10 m, BV cbo,GAT= 500 V, 则由式( 13) , ( 14. 4)有p = - 14. 21277, q = 16. 35985, d = - 2. 17660, -q2= - 8. 17993, = - 39. 42281,代入式( 14. 1)～( 14. 3)有, X 1= - 2. 17660+ 2×2. 17660×cos0. 82898= 0. 76454为唯一的正数,而其它两个根 X 2= - 2. 17660+ 2×2. 17660×cos3. 18517= - 6. 52567和 X 3= - 2. 17660+ 2×2. 17660×cos4. 75597= - 1. 98694皆为负数, 舍弃。故对该设计指标的 GAT ,按照上述优化设计理论其基区宽度应该设计为 W B= 0. 1×X 1 m= 0. 076454 m,此乃优化设计的必要条件之一。另外,例 1和例 2中由指标 nb= 1, nC= 6或 1, L = 15 m 或 10 m , BV cbo, GAT= 500 V 代入式 ( 8. 1)～( 8. 7)并利用式( 3) , ( 6)又能分别得到例 1和例 2中优化设计的 GA T 的这些设计指标和其它参数( , D )之间的隐函数关系,从而又能确定其它参数( , D )——优化设计必要条件之二,该关系比较复杂,限于篇幅其分析在此从略。4　结　论由于 GA T 器件优化设计必要条件 f GAT ( N-c , N-b , W B, L , D ) = 0中的变量个数比 BJT 器件优化设计必要条件 f BJT ( N-c , N-b , W B0) = 0中的变量个数多,所以 GAT 器件明显地比 BJT器件具有更大的可供选择的优化设计自由空间,这不但是从事研究 GAT 优化设计的前提, 也是本文给出的关于 GAT 的一个非常重要的性质。不言而喻, 在定量研究基础上所设计的GAT 的各项综合指标必将优于定性设计的 GAT 器件的各项综合指标, 文中给出的 GAT 优化设计必要条件模型为设计 GAT 提供非常有益的定量参考。351 期　　　　　 庄宝煌等: GAT 的优化设计分析 　参 考 文 献1　Kondo H, Yukimo to Y . A new bipolar transis-to r—GAT . IEEE Trans, E D , 1980; 27( 2) : 373～3792　邹德恕, 亢宝位,杜金玉等.一种优化设计的高频高压电力半导体器件.半导体技术, 1996; 21( 6) :29～323　庄宝煌, 黄美纯, 朱梓忠等. GAT 栅屏蔽效应二维解析模型. 固体电子学研究与进展, 2000; 20( 1) : 53～59庄宝煌( ZHUANG Baohuang )　男,1963 年生, 厦门大学博士生, 1989年浙江大学硕士毕业, 主要从事半导体物理与器件物理研究。4　庄宝煌, 黄美纯,朱梓忠等. GAT 实现高频率与高基区穿通电压兼容特性分析. 固体电子学研究与进展, 2000; 20( 2) : 190～1945　庄宝煌, 黄美纯,朱梓忠等. GAT 实现高电流增益与高雪崩击穿电压兼容特性分析. 固体电子学研究与进展, 2000; 20( 2) : 206～2116　沈永欢,梁在中, 许履瑚等. 实用数学手册, 北京:科学出版社, 1997黄美纯( HUANG M eichun)　男, 1937 年生, 厦门大学教授, 博士生导师, 主要从事半导体物理与器件物理以及凝聚态物理领域的研究。朱梓忠( ZHU Zizhong )　男, 1963 年生, 博士后, 厦门大学副教授, 主要从事半导体物理与器件物理以及凝聚态物理领域的研究。Back CoverSolid State Pulse Power Amplif ier in P and X-band　　T he so lid state pow er amplifiers developed in Nanjing Electronic Dev ices Inst itute pos-sess small volume, high gain and reliability and the co rresponding batch process scale hasbeen established. They have been applied in various facilit ies and are w ell received by theusers.The main per formance indexes of these sol id state ampl if ier s in P and X-band are as fol-low s:P-band:Power at the driven level P o, front/ W　　　　　　　　> 5Power gain GP,fr ont/ dB > 30Emit ter power at the last level P rear/ kW > 1. 2Pulse width / s 600Duty cycle D 10%X band:Output pow er P o/ W > 3Power gain GP/ dB > 3036 　固　体　电　子　学　研　究　与　进　展　　　　　　　　　　　21卷

An Analysis of GAT′s Optimal Designing

http://dspace.xmu.edu.cn/bitstream/handle/2288/9595/GAT%e7%9a%84%e4%bc%98%e5%8c%96%e8%ae%be%e8%ae%a1%e5%88%86%e6%9e%90.pdf?sequence=1&isAllowed=y

An Analysis of GAT′s Optimal Designing

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