一、實現正向自動增益控制的特性分析

目前國內生產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，由于基區擴

展效應使三極管的fT（β）迅速

下降導致功率增益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為基區電阻；Cc為集電結電容；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的電流導致基區擴展情況；兩者均與晶體管的工作電流變化有關，特別是大電流特性。總之，有關fT（β）隨電流的升高而下降的原因，主要是基區大注入效應和有效基區擴展效應。在基區擴展效應中，縱向和橫向的擴展效應均對rb產生影響。

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）隨電流的變化規律是必要的。本文以國內的3DG56硅平面NPN高頻小功率三極管為例進行解析。它的基本結構和工藝參數如表1所示。fT（β）隨電流Ic變化的曲線示于圖2。可以看出，fT在小電流時較低，當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；不難發現，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的基本結構和工藝參數

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：

濃硼區條寬Sb'＝8-5-5-8μｍ；

射區條寬Se＝2.5-2.5-2.5μｍ；

基區引線孔條寬Sbl＝4μｍ；

鋁引線條寬Sl＝4μｍ；

鋁引線條間距Ll＝3μｍ；

發射區有效面積Ae＝2.55X10ˉ²˙³㎝²。

擴散工藝參數：

濃硼區表面濃度Nb'≈4ｘ10²°㎝ˉ³；

濃硼區方塊電阻Rb'＝5±1Ω/□；

濃硼區結深Xjc'＝2.0～2.2μｍ；

淡硼區（基區）表面濃度Nb≈10²ºˉ¹㎝ˉ³；

淡硼區（基區）方塊電阻Rb＝250～300Ω/□；

淡硼區（集電結）結深Xjc＝1.0～1.2μｍ；

發射區表面濃度Ne≈10²°㎝ˉ³；

發射結結深Xje＝0.4～0.6μｍ。

圖2 3DG56的fT－Ic特性

從制管的設計和工藝方面分析，正向AGC晶體管的起控電流主要由集電區摻雜濃度Nc、發射區有效面積Ae、基區摻雜濃度和擴散參數等決定。如集電區摻雜濃度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生，通過改變集電區電阻率ρc可對正向AGC晶體管的起控電流實現較大范圍的調整。發射區有效面積Ae增加，即發射區條寬（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；基區注入電流密度加大，由于基區擴展效應，可使正向AGC晶體管的起控電流提前。

再來分析3DG56fT－Ic規律。由表1可知，3DG56襯底單晶材料的雜質濃度較低，基區濃度較高，版圖設計尺寸較小，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，集電結勢壘的電場較強，電子n通過勢壘區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n與集電區雜質濃度Nc相比不可忽略時，它將使勢壘區有效雜質濃度降低到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，只有當E≥E′＝1.5x10²˙²V／cm時，才有υ＝υm＝8.5x10²˙³cm／S。假設勢壘展寬的極限為：

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，為保持集電結勢壘是強場的最小外加電壓。

分析認為Jc′是發生橫向有效基區擴展效應的臨界電流密度。當電流達到臨界電流Ic′后，若電流繼續上升，則基區開始橫向擴展，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所引起的。擴展后的基區寬度為：

Ｗb′＝Ｗb［1＋Se²／4Ｗb²（Ic/Jc′Ae - 1）²］ （7）

式中Se為發射去條寬，Ae為發射區面積，Ic為工作電流。

隨著電流的升高，縱向有效基區擴展也相對發生，它的出現加速了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主要取決于集電結勢壘寬度，臨界電流Ic′主要取決于Jc′和Ae。根據式（3）和（5），它們均可歸結為版圖尺寸、工作電壓和材料電阻率。在基本設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、根據設計要求，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－→濃硼擴散區－→二次光刻基區－→淡硼基區預淀積－→硼再擴散和二次氧化－→三次光刻發射區－→磷擴散發射區－→泡發射區引線孔－→四次光刻基區引線孔－→硅片減薄－→蒸發鈦、鋁電極－→六次光刻鈦、鋁電極－→磷蒸氣合金－→劃片、中測－→管芯燒結、壓焊及封裝－→電鍍－→分選、測測、打印、包裝、入庫。

2、主要工藝技術如下：

1）硅片的清洗工藝

硅片表面清洗是制造半導體器件的重要環節，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）濃硼擴散區工藝：（硼源：PWB源片）

a、預淀積擴散

爐溫980℃；N2流量250ml/分，時間15-18分鐘之間調整。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）淡硼擴散基區工藝：（硼源：PWB源片）

a、預淀積擴散

爐溫950-960℃；N2流量100 ml/分，時間15－18分鐘之間調整。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）磷擴散發射區工藝：（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）泡發射區引線孔工藝

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

7）光刻工藝

a、使用較稀光刻膠。光刻膠配比：環已酮：抗蝕劑：增感劑=200毫升：11克：0.7克。要求40度下腐蝕2分30秒邊沿無侵蝕現象。

b、采用2-3杯丁酮顯影，提高顯影分辨率。

c、應用2次堅膜、2次腐蝕技術。

8）蒸發工藝

電極為鈦-鋁結構。防止電極引線發生“鋁溶”短路。采用兩次蒸發技術：分別蒸發鈦、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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