一、實現(xiàn)正向自動增益控制的特性分析

目前國內(nèi)生產(chǎn)的正向自動增益控制（AGC）晶體管一般為硅平面NPN高頻小功率三極管，如3DG56、3DG79、CG36等型號。國外型號類似的有2SC683、2SC1856、2SC1393等。這類三極管主要用在電視機高頻調(diào)諧電路和中放電路中，它的作用特點是其功率增益隨工作點電流的上升而迅速下降（如圖1所示）。這種性能的獲的是由于采用了較高電阻率的單晶（或厚

外延層）材料。當(dāng)電路信號過強

時，正向AGC電路會把該三極管

的偏置抬高，工作電流Ic隨之增

大；大電流工作時，由于基區(qū)擴

展效應(yīng)使三極管的fT（β）迅速

下降導(dǎo)致功率增益Gp降低，從而

達到把信號強度控制在一定范圍

內(nèi)的目的。

圖1 正向AGC晶體管Gp－Ic

晶體管的功率增益Gp一般表示為：

Gp＝fT/8πrbCcf² （1）

式中fT為特征頻率；rb為基區(qū)電阻；Cc為集電結(jié)電容；f為工作信號的頻率。

從上式分析可以看出：功率增益的變化一是取決于fT和f的變化；二是rb值的大小依賴于注入基區(qū)的電流導(dǎo)致基區(qū)擴展情況；兩者均與晶體管的工作電流變化有關(guān)，特別是大電流特性?？傊?，有關(guān)fT（β）隨電流的升高而下降的原因，主要是基區(qū)大注入效應(yīng)和有效基區(qū)擴展效應(yīng)。在基區(qū)擴展效應(yīng)中，縱向和橫向的擴展效應(yīng)均對rb產(chǎn)生影響。

為了制造性能良好的正向AGC晶體管，分析研究正向AGC晶體管的fT（β）隨電流的變化規(guī)律是必要的。本文以國內(nèi)的3DG56硅平面NPN高頻小功率三極管為例進行解析。它的基本結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)如表1所示。fT（β）隨電流Ic變化的曲線示于圖2?？梢钥闯?，fT在小電流時較低，當(dāng)Ic升到2～3mA時，fT（β）達到最大值（典型工作點為VcE＝10V，Ic＝3mA，ƒ＝200MHz），一般把該點電流稱為起控電流Ico；工作電流繼續(xù)上升，fT（β）先緩慢下降一段后即較快地下降，正向AGC功率增益的變化明顯。同時起控電流隨Vcb的升高而逐漸后移，但當(dāng)電 壓較高時這種移動不再明顯。圖中虛線是材料電阻率低于正常管的樣管fT－Ic特性曲線；不難發(fā)現(xiàn)，材料電阻率ρc對起控電流的影響要比Vcb的影響更明顯。

表1 3DG56的基本結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)

N型硅單晶：

硅片電阻率ρc＝3.5Ω?ｃｍ；

硅片厚度Wc＝250μｍ；

晶向<111>，位錯密度≤100個/cm²。

主要版圖尺寸：

濃硼區(qū)條寬Sb'＝8-5-5-8μｍ；

射區(qū)條寬Se＝2.5-2.5-2.5μｍ；

基區(qū)引線孔條寬Sbl＝4μｍ；

鋁引線條寬Sl＝4μｍ；

鋁引線條間距Ll＝3μｍ；

發(fā)射區(qū)有效面積Ae＝2.55X10ˉ²˙³㎝²。

擴散工藝參數(shù)：

濃硼區(qū)表面濃度Nb'≈4ｘ10²°㎝ˉ³；

濃硼區(qū)方塊電阻Rb'＝5±1Ω/□；

濃硼區(qū)結(jié)深Xjc'＝2.0～2.2μｍ；

淡硼區(qū)（基區(qū)）表面濃度Nb≈10²ºˉ¹㎝ˉ³；

淡硼區(qū)（基區(qū)）方塊電阻Rb＝250～300Ω/□；

淡硼區(qū)（集電結(jié)）結(jié)深Xjc＝1.0～1.2μｍ；

發(fā)射區(qū)表面濃度Ne≈10²°㎝ˉ³；

發(fā)射結(jié)結(jié)深Xje＝0.4～0.6μｍ。

圖2 3DG56的fT－Ic特性

從制管的設(shè)計和工藝方面分析，正向AGC晶體管的起控電流主要由集電區(qū)摻雜濃度Nc、發(fā)射區(qū)有效面積Ae、基區(qū)摻雜濃度和擴散參數(shù)等決定。如集電區(qū)摻雜濃度Nc降低，即電阻率ρc增加時，正向AGC晶體管的起控電流提前發(fā)生，通過改變集電區(qū)電阻率ρc可對正向AGC晶體管的起控電流實現(xiàn)較大范圍的調(diào)整。發(fā)射區(qū)有效面積Ae增加，即發(fā)射區(qū)條寬（或長）增加時，減小了電流密度使正向AGC晶體管的起控電流后移；基區(qū)注入電流密度加大，由于基區(qū)擴展效應(yīng)，可使正向AGC晶體管的起控電流提前。

再來分析3DG56fT－Ic規(guī)律。由表1可知，3DG56襯底單晶材料的雜質(zhì)濃度較低，基區(qū)濃度較高，版圖設(shè)計尺寸較小，在工作電流Ic不大的情況下，其電流密度Jc已很客觀。在典型工作條件下，集電結(jié)勢壘的電場較強，電子n通過勢壘區(qū)可達到極限漂移速度υm，集電極電流密度為Jc（忽略空穴電流）為：

Jc＝qυm n （2）

隨著Jc上升，當(dāng)n與集電區(qū)雜質(zhì)濃度Nc相比不可忽略時，它將使勢壘區(qū)有效雜質(zhì)濃度降低到Nc-n，從而使勢壘寬度展寬為：

δ＝［2εεo（Vcb＋VD）／q（Nc-n）］½ （3）

由于電子漂移速度υ與電場強度E有關(guān)，只有當(dāng)E≥E′＝1.5x10²˙²V／cm時，才有υ＝υm＝8.5x10²˙³cm／S。假設(shè)勢壘展寬的極限為：

δm＝Vcb/E′ （4）

將（4）代入（3）再代入（2），得到的電流密度極限為（忽略VD不計）：

Jc′＝qυm（Nc-2εεoE′²／q Vcb） （5）

若令J1＝qυmNc，Vcbo＝2εεoE′²／q Nc ，則有：

Jc′＝ J1（1－Vcbo／Vcb） （6）

其中J1表示使集電區(qū)空間電荷為零的電流密度；Vcbo表示電流為零時，為保持集電結(jié)勢壘是強場的最小外加電壓。

分析認為Jc′是發(fā)生橫向有效基區(qū)擴展效應(yīng)的臨界電流密度。當(dāng)電流達到臨界電流Ic′后，若電流繼續(xù)上升，則基區(qū)開始橫向擴展，以保持電流密度Jc′不變。3DG56的fT（β）隨電流的升高而迅速下降主要由這種橫向擴展效應(yīng)所引起的。擴展后的基區(qū)寬度為：

Ｗb′＝Ｗb［1＋Se²／4Ｗb²（Ic/Jc′Ae - 1）²］ （7）

式中Se為發(fā)射去條寬，Ae為發(fā)射區(qū)面積，Ic為工作電流。

隨著電流的升高，縱向有效基區(qū)擴展也相對發(fā)生，它的出現(xiàn)加速了fT（β）的下降趨勢。本文不再詳細論述。

綜合以上分析可知，起控電流Ico主要取決于集電結(jié)勢壘寬度，臨界電流Ic′主要取決于Jc′和Ae。根據(jù)式（3）和（5），它們均可歸結(jié)為版圖尺寸、工作電壓和材料電阻率。在基本設(shè)計和使用條件確定的前提下，器件制造為了滿足用戶的要求，主要采取控制單晶材料電阻率的數(shù)值、范圍和工藝條件來達到目的。

二、3DG56正向自動增益控制晶體管的制造工藝

1、根據(jù)設(shè)計要求，制定工藝流程如下：

N型硅單晶片－→硅片清洗－→一次氧化－→一次光刻濃硼區(qū)－→濃硼擴散區(qū)－→二次光刻基區(qū)－→淡硼基區(qū)預(yù)淀積－→硼再擴散和二次氧化－→三次光刻發(fā)射區(qū)－→磷擴散發(fā)射區(qū)－→泡發(fā)射區(qū)引線孔－→四次光刻基區(qū)引線孔－→硅片減?。?rarr;蒸發(fā)鈦、鋁電極－→六次光刻鈦、鋁電極－→磷蒸氣合金－→劃片、中測－→管芯燒結(jié)、壓焊及封裝－→電鍍－→分選、測測、打印、包裝、入庫。

2、主要工藝技術(shù)如下：

1）硅片的清洗工藝

硅片表面清洗是制造半導(dǎo)體器件的重要環(huán)節(jié)，清洗過程是3號液－→1號液－→2號液，均煮沸2－3分鐘。1號液配比：氨水：H2O2：超純水＝1：2：5；2號液配比：HCI：H2O2：超純水＝1：2：8；3號液配比：H2SO4：H2O2＝3：1。最后用HF:H2O＝1：10漂10－20秒，除去硅片表面自然氧化層，用超純水沖洗、烘干備用。

2）一次氧化工藝

a、石英管道處理

在1100－1150℃的溫度下，通HCI+O2處理石英管道2小時以上。HCI流量為40－60ml/分，O2為500 ml/分。在硅片氧化前用干O2（800 ml/分）吹管道20分鐘。

b、氧化工藝：氧化層厚度≥5000?

氧化條件：爐溫1180℃；水溫95℃；O2流量800－1000 ml/分；N2流量800－1000 ml/分。氧化時間分配：10分干氧+35分濕氧+10分干氧+15分干氮－→800℃爐口通氮氣降溫。

3）濃硼擴散區(qū)工藝：（硼源：PWB源片）

a、預(yù)淀積擴散

爐溫980℃；N2流量250ml/分，時間15-18分鐘之間調(diào)整。要求R□＝35±5Ω/□。

b、濃硼再擴散

爐溫1150℃，N2（或干氧）流量500－800 ml/分，時間15-18分鐘。要求R□＝5±1Ω/□。用HF:H2O＝1：10漂30秒后沖超純水、烘干。

4）淡硼擴散基區(qū)工藝：（硼源：PWB源片）

a、預(yù)淀積擴散

爐溫950-960℃；N2流量100 ml/分，時間15－18分鐘之間調(diào)整。要求R□＝60－80Ω/□。

b、淡硼再擴散及二次氧化

爐溫1100℃，氧流量500－800 ml/分，水溫95℃；時間3分+12－15分（濕氧）+5分（干氧）。要求R□＝250-300Ω/□。用HF:H2O＝1：10漂30秒后沖超純水、烘干。

5）磷擴散發(fā)射區(qū)工藝：（磷源：POCI3）

爐溫1050℃，大N2流量450ml/分，小N2流量70 ml/分，O2流量50 ml/分，時間3分+12－18分（通源）+10（趕氣）；要求β＞40-8 0，BVceo＞40V。

6）泡發(fā)射區(qū)引線孔工藝

用光刻膠腐蝕液泡5-20秒（視發(fā)射區(qū)刻蝕質(zhì)量情況而定），然后分別用1號液、2號液清洗，烘烤30分鐘后光刻基區(qū)引線孔。

7）光刻工藝

a、使用較稀光刻膠。光刻膠配比：環(huán)已酮：抗蝕劑：增感劑=200毫升：11克：0.7克。要求40度下腐蝕2分30秒邊沿?zé)o侵蝕現(xiàn)象。

b、采用2-3杯丁酮顯影，提高顯影分辨率。

c、應(yīng)用2次堅膜、2次腐蝕技術(shù)。

8）蒸發(fā)工藝

電極為鈦-鋁結(jié)構(gòu)。防止電極引線發(fā)生“鋁溶”短路。采用兩次蒸發(fā)技術(shù)：分別蒸發(fā)鈦、鋁兩種薄膜。蒸鈦厚度為0.3-0.5微米，蒸鋁厚度為1.0-2.0微米。

9）磷蒸氣合金

爐溫530℃，大N2流量500ml/分，小N2流量50－70 ml/分，時間10分（通源）+10分（斷源）。

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