汽車電子應(yīng)用分析論文

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汽車制造業(yè)在超高頻（UHF）頻段的應(yīng)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(chǎn)的BFP460正是一款對(duì)應(yīng)于這種應(yīng)用的通用的晶體管，它是靜電釋放（ESD）增強(qiáng)型器件。它受益于具有23GHz轉(zhuǎn)換頻率的雙極硅加工技術(shù)，能夠安全地承受任意一對(duì)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(duì)在汽車制造業(yè)中使用非常理想。

現(xiàn)在各種各樣的汽車系統(tǒng)都利用了RF技術(shù)，包括無鍵遙控輸入（RKE）、GPS、衛(wèi)星數(shù)字式聲頻無線電服務(wù)（SDARS）和輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)（TPMS）。這些系統(tǒng)中的每一個(gè)都要求射頻模塊具有成本低、耐用度/強(qiáng)度高的優(yōu)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(guī)定，所以當(dāng)擊穿電壓下降（從典型值50V到3V左右）的時(shí)候，它們有呈現(xiàn)出更高的電流密度（在一個(gè)典型的晶體管的工作點(diǎn)上大約3mA/µm2或300,000A/cm2）的趨勢(shì)。

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(zhì)決定的。對(duì)于一個(gè)高轉(zhuǎn)換頻率，集電極必須要薄。為了得到高增益，所有內(nèi)部寄生電容必須要小，這是橫向尺寸規(guī)格縮小的推動(dòng)因素，但是同時(shí)也使晶體管的ESD更容易損壞。

嚴(yán)格的晶體管ESD損壞機(jī)制研究表明在器件ESD的強(qiáng)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(jié)果，目的是承受當(dāng)達(dá)到23GHz的截止頻率時(shí)1500V的人體模型（HBM）脈沖，在1.8GHz時(shí)有17.5dB的最大穩(wěn)定增益和1.1dB的最小噪聲數(shù)字。

最廣泛被使用的ESD測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是HBM，詳見MILSTD883D。在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，一個(gè)100pF的電容被參考電壓VREF充電。隨后參考電壓被斷開，在測(cè)試中，當(dāng)當(dāng)電容經(jīng)過一系列的1,500Ω電阻接到待測(cè)器件上的時(shí)候又會(huì)被充電。這個(gè)電路裝置可以被看成電流源。

當(dāng)參考電壓為100V時(shí)，被用來作為對(duì)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(dāng)電壓達(dá)到5,000V時(shí)，則被用作較舊式的，較低性能的大體積晶體管。DUT被認(rèn)為是一種評(píng)定特殊ESD等級(jí)的方式，即在電壓值為VREF的時(shí)候，它能經(jīng)受得住這些測(cè)試的考驗(yàn)，且其性能沒有下降，也沒有出現(xiàn)故障。盡管ESD測(cè)試如今也可能用到晶片上芯片等級(jí)的評(píng)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(duì)人體標(biāo)準(zhǔn)可供選擇的方法，傳輸線脈沖測(cè)量（TLP）經(jīng)常被用來估計(jì)ESD的容限。

一個(gè)ESD脈沖最好被理解成器件內(nèi)部的一個(gè)急劇電流波動(dòng)。對(duì)于第一階的近似值來說，假設(shè)在器件經(jīng)歷這個(gè)電流波動(dòng)期間整個(gè)事件發(fā)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(jié)果，由ESD感應(yīng)電流波動(dòng)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(gè)極限值，超過這個(gè)值實(shí)際上就會(huì)使器件中的硅熔化。

事實(shí)上，硅材料的融化會(huì)導(dǎo)致器件故障。由于電流密度是導(dǎo)致器件故障的關(guān)鍵一條，所以具有較大發(fā)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(fā)射極之間的擊穿電壓VCEO與其阻抗和ESD損壞并沒有相互關(guān)系。

為了提高耐用性，RF集成電路設(shè)計(jì)師們已經(jīng)開發(fā)了ESD內(nèi)部保護(hù)結(jié)構(gòu)，用來幫助保護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)也在RF端加入了寄生電容，電感和損耗，因此導(dǎo)致其性能下降，同時(shí)也使得這種結(jié)構(gòu)不適合與分立器件（對(duì)性能要求更高）一起使用。

在一個(gè)像雙極晶體管這樣的三引腳器件中，經(jīng)由器件的任意兩個(gè)引腳一共有六種可能的方式來應(yīng)用ESD脈沖，而未使用的器件引腳仍然是開路（未連接）。通常當(dāng)ESD脈沖反方向接在PN結(jié)兩端的時(shí)候晶體管最容易損壞。而依賴于特殊半導(dǎo)體工藝技術(shù)，集電極-基極結(jié)通常是微弱的連接在RF晶體管上。

在發(fā)生ESD期間，基極-集電極的空間電荷被壓入高度摻雜質(zhì)的底層（或RFIC中的隱埋層）。這種情形與所謂的Kirk效應(yīng)非常相似。幾乎整個(gè)晶體管的電壓都加在了集電極地層，增強(qiáng)了這個(gè)區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度（集電極區(qū)域的自由電子密度已經(jīng)超過了摻雜密度）。因?yàn)榧姌O的自由電荷必須被極性相反的電荷補(bǔ)償，它們能夠中和的唯一的區(qū)域就是高度摻雜層（或隱埋層）。就硅而言，如果這個(gè)磁場(chǎng)達(dá)到了大約3×105V/cm的內(nèi)部擊穿磁場(chǎng)強(qiáng)度的時(shí)候，那么大量的撞擊離子就出現(xiàn)了。形成了更多的自由載體（電子和空穴）并發(fā)生逃逸，同時(shí)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(shù)能量都被釋放在磁場(chǎng)強(qiáng)度最高的地方，這一點(diǎn)增加了局部器件溫度。由于具有內(nèi)在傳導(dǎo)機(jī)制，這反而又增加了自由載體的數(shù)量。借助于一個(gè)正反饋機(jī)制這個(gè)過程就這樣周而復(fù)始的繼續(xù)下去，結(jié)果，電流會(huì)逐漸聚集一個(gè)越來越小的點(diǎn)上，隨后硅材料會(huì)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(yīng)波動(dòng)電流的聚集。

一系列的阻抗使得波動(dòng)電流呈分布狀態(tài)，并能幫助避免隨后的破壞發(fā)生。晶體管單元的細(xì)心設(shè)計(jì)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(dǎo)致局部電場(chǎng)強(qiáng)度增加，這些缺陷都是應(yīng)該被避免的。

一個(gè)減少ESD感應(yīng)磁場(chǎng)的直接方式是通過選擇降低層中摻雜質(zhì)的密度，用來分散相反極性的電荷更加深入的進(jìn)入層內(nèi)。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(qū)域之間插入一個(gè)過渡層。這個(gè)過渡區(qū)域的摻雜質(zhì)密集度要比活躍的集電極區(qū)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(gè)過渡區(qū)在正常的工作中可以被當(dāng)作一個(gè)層（圖1）。這種設(shè)計(jì)方法被運(yùn)用到了BFP460中用來把ESD的容限從300V提升到1500V（具有64um2發(fā)射極區(qū)域的封裝器件）。

仿真性能

利用DESSISCAE仿真器可以獲取更多ESD的機(jī)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(shè)計(jì)一個(gè)HBM電路，且電容器的放電可以在時(shí)域內(nèi)計(jì)算出來。由于反向脈沖負(fù)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(dá)到3000V并且最高電流密度可達(dá)到12.6mA/µm2。（圖2）對(duì)于普通的晶體管，場(chǎng)的異常高區(qū)域通常在集電極襯底層邊緣處，然而可以利用緩沖區(qū)來有效的降低它，這是由于ESD電流中的自由電子的補(bǔ)償作用分布的更深更廣。而且在內(nèi)部基極連接處，很高的電流密度也會(huì)導(dǎo)致高能電場(chǎng)的產(chǎn)生。通過對(duì)很多案例分析發(fā)現(xiàn)，該處的硅已經(jīng)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(shí)間段上繪制的，利用箭頭合標(biāo)記來標(biāo)明時(shí)間的發(fā)展方向。雪崩效應(yīng)和電壓崩潰的并發(fā)造成了曲線前端的不穩(wěn)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(fù)斜率的I-V特性：如果雪崩效應(yīng)在一點(diǎn)變得強(qiáng)烈，該處的電壓會(huì)上升。如果電壓穩(wěn)定并均衡，就不會(huì)出現(xiàn)電流擁擠的現(xiàn)象。

在分散的射頻晶體管的生產(chǎn)向英飛凌的新流程“自排列雙極性方法”的過渡中，有機(jī)會(huì)對(duì)BFP460做新的設(shè)計(jì)。在新流程中，發(fā)射極是利用對(duì)n極層的沉積來取代以前摻雜砷的方法。該方法嚴(yán)格控制生產(chǎn)過程的參數(shù)，并在參數(shù)的小范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體管高容量運(yùn)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(gè)很寬的范圍內(nèi)分布，但在BFP460的生產(chǎn)中，卻在很小的范圍內(nèi)（100到150之間）可控。

盡管ESD增強(qiáng)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(qiáng)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(yīng)器）。其應(yīng)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(shè)為315MHz，并可重設(shè)為434MHz，可以用來降低通帶外被過濾掉的信號(hào)對(duì)RKE接收器的影響。應(yīng)用板支持LNA以及濾波器的自測(cè)試，或者二者同時(shí)測(cè)試。

LNA可以無條件的穩(wěn)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(nèi)，且無需更改任何設(shè)置。感興趣的讀者可以通過與本文作者或者本雜志聯(lián)系以獲取LNA的物料清單。基于BFP460的應(yīng)用板可以從英飛凌獲得。