专利名称：一种提高晶体管性能的方法
技术领域：
本发明是关于一种提高晶体管性能的方法，特别是关于一种通过调整偏置状况来
提高晶体管性能的方法。
背景技术：
随着半导体技术的发展，人们对电子产品的性能要求也越来越高，这就对相应电 路设计的性能要求也越来越高。 输出电导g。是电路设计的一个重要参数，一般用欧拉电压VA来表征器件的输出 电导，早期模型中，只考虑基极宽度调制效应，欧拉电压VA，和输出电导g。的关系可以简
单描述为g。 =^-唭中Ic表示三极管集电极电流。欧拉电压VA目越大，输出电导g。
越小，表示晶体管的带负载性能越好，因此如何获得较大欧拉电压VA以使晶体管保持良好 的性能一直是电路设计者们追逐的目标。 现有技术中，通常采用更改双极晶体管物理尺寸或掺杂浓度来获得较大的VA，然 而，由于半导体器件的物理特性，尤其以双极晶体管为例，PXVA是一个常数，这里13指 的是双极晶体管电流放大系数，此时，若单纯通过改变双极晶体管的物理特性，如尺寸或掺 杂，获得较大VA，必然会降低双极晶体管的电流放大系数13 ，这导致电路放大能力的损失， 并不符合改善电路整体性能的初衷，这种牺牲电流放大系数来获得较大的VA在电路设计 不能根本改善电路性能。 综上所述，可知现有晶体管技术中长期以来一直存在采用更改晶体管物理尺寸或 掺杂浓度来获得较大VA容易损失电路放大能力的问题，因此有必要提出改进的技术手段， 来解决此一问题。
发明内容
为克服上述现有技术的种种缺点，本发明的主要目的在于提供一种提高晶体管性 能的方法，以避免电路设计时提高了 VA而降低了放大系数，提高晶体管的性能。
为达上述及其它目的，一种提高晶体管性能的方法，包括如下步骤
选择一电流源； 利用该电流源对该晶体管进行基极偏置； 调整该电流源使该晶体管基极产生一中等恒定基极偏置电流。 承上所述，该中等基极偏置电流的大小至少使得该晶体管自热效应产生的VA—SH小于0。 该中等基极偏置电流的大小使得该晶体管自热效应产生的欧拉电压VA—SH与基极 宽度调制产生的欧拉电压VA—腿符合|VA—SH|《|VA—腿|。 该中等基极偏置电流的大小使得该晶体管自热效应产生的欧拉电压VA—SH与基极 宽度调制产生的欧拉电压VA—BWM符合VA—BWM+VA—SH趋近于0。
该晶体管为双极晶体管。 与现有采用的改善晶体管性能的技术相比，本发明一种提高晶体管性能的方法通过对晶体管采用恒定电流基极偏置，改善偏置条件以产生一中等恒定偏置电流获得较大VA，由于本发明是通过改善偏置条件而不是通过改变晶体管物理尺寸或掺杂浓度来获得大的VA，因而不会影响电路的放大系数，但确实提高了晶体管的性能。
图1为一 NPN型双极晶体管的简单结构图； 图2a及图2b分别为恒定电压偏置以及恒定电流偏置时集电极电流Ic与CE结电压Vce的关系曲线图； 图3a及图3b分别为双极晶体管恒定电压偏置及恒定电流偏置时的输出特性示意图； 图4a及图4b分别为为考虑自热效应时采用恒定电压偏置和恒定电流偏置时的集电极电流Ic和CE结电压Vce的关系曲线图； 图5a_图5d分别为考虑自热效应时在不同基极偏置电压下的晶体管输出特性曲线示意图； 图6a、图6b、图6c以及图6d分别为图5a_图5d中不同Vbe对应的欧拉电压示意图； 图7为恒定小电流偏置时自热效应对欧拉电压VA的影响的关系示意 图8为中等恒定电流偏置时自热效应对欧拉电压VA的影响的关系示意 图9为恒定大电流偏置时自热效应对欧拉电压VA的影响的关系示意 图10a为对两个SOI中的双极晶体管采用恒定电流流偏置的VA-Ib曲线 图10b为恒定电流偏置时的归一化Ic-Vce曲线 图11为本发明一种提高晶体管性能的方法的流程图。
具体实施例方式
以下通过特定的具体实例并结合
本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明亦可通过其他不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。 对于晶体管，特别是双极晶体管，欧拉电压(early voltage)VA—般受三个物理机制影响基极宽度调制(Base Width Modulation)、自热效应(SelfHeating)以及雪崩效应(Avalanche)，这三种效应对欧拉电压的影响分别定义为VA—BWM、VA—SH以及VA—AVA。晶体管由两个掺杂浓度不同且背靠背排列的PN结组成，根据排列方式的不同可分为NPN型和PNP型两种，为清楚说明起见，本发明实施例以NPN型双极晶体管为例，但本发明不限于此。图1为一NPN型双极晶体管的简单结构图，以下将通过该双极晶体管电路来说明基极宽度调制、自热效应以及雪崩效应对欧拉电压VA的影响。 图2a为恒定电压偏置时集电极电流Ic与CE结电压Vce的关系曲线图，图2b为恒定电流偏置时集电极电流Ic与CE结电压Vce的关系曲线图，其中Vce = Vcb+Vbe。当双极晶体管工作于前向放大区时，正向偏置电压Vbe变化很小，近似认为是恒定值，Vcb的变化量近似认为就是Vce的变化量，基极的耗尽层宽度会随着Vcb增加而增加，因此导致有效的基极宽度减小，基区宽度变窄将直接导致电流放大系数P上升。从图2a和图2b可获知，只考虑基极宽度调制时，不论是恒定电压偏置还是恒定电流偏置，集电极电流Ic总是随着CE结电压Vce增加而增加，双极晶体管获得的VA—皿均是正值。 当CB结的反偏场强达到某临界值时，CB结耗尽层宽度增加至将集电极和发射极完全连通起来，越来越多的电子从硅晶格中被拉出形成载流子，这会造成基极和集电极电流的显著增加，形成雪崩效应，严重时会损坏器件。为使晶体管电路稳定工作，不论是恒定电压偏置还是恒定电流偏置，都要避免雪崩效应的发生。图3a为某双极晶体管恒定电压偏置时的输出特性示意图，图3b为该晶体管恒定电流偏置时的输出特性示意图。由此可见，恒定电压偏置时Vce = 8V时尚未出现雪崩效应，而恒流偏置时Vce = 5. 5V即出现雪崩效应，这意味着雪崩效应在恒流偏置时更易发生，因为恒压偏置时，基区产生的热载流子可通过基极被抽出。因此，恒定电流偏置时更需注意避免雪崩效应的发生。
图4a为考虑自热效应时采用恒定电压基极偏置时的集电极电流Ic和CE结电压Vce的关系曲线图，图4b为考虑自热效应时采用恒定电流基极偏置时的集电极电流Ic和CE结电压Vce的关系曲线图。可见，恒定电压基极偏置时集电极电流Ic随CE电压Vce增加而增加(正斜率)，而恒定电流基极偏置时，在较宽范围，集电极电流Ic随CE电压Vce增加而减少(负斜率)。 图5a、图5b、图5c以及图5d分别为考虑自热效应时在不同基极偏置电压下的晶体管输出特性曲线示意图，图6a、图6b、图6c以及图6d分别为图5中不同Vbe对应的欧拉电压示意图。可见，在恒定电压偏置时，自热效应导致集电极电流Ic与CE结电压Vce的关系曲线具有正斜率，且自热效应随着Vbe的增加而增加，同时自加热导致欧拉电压VA随着Vbe的增加而降低。 图7为恒定小电流偏置时自热效应对欧拉电压VA的影响的关系示意图，图8为中等恒定电流偏置时自热效应对欧拉电压VA的影响的关系示意图，而图9为恒定大电流偏置时自热效应对欧拉电压VA的影响的关系示意图。可见，恒定小电流偏置时，自热效应可以忽略，此时VA对偏置电流不敏感；中等恒定电流偏置时，VA随着基极电流的增加而增加，但VA仍为正值；而恒定大电流偏置时，相较于其他效应，自热效应占主导地位，在输出特性曲线中集电极电流在很大范围具有负斜率，这导致负VA的产生。 由于VA受基极宽度调制、雪崩效应以及自热效应三个物理机制的影B向，因此，实际上晶体管的欧拉电压VA的计算公式可表征为 <formula>formula see original document page 5</formula> 其中VA—BWM、 VA—SH以及VA—AVA分别为单独考虑基极宽度调制、自发热效用以及雪崩效应时的欧拉电压。 在雪崩效应未发生时，可忽略雪崩效应对欧拉电压的影响，此时，晶体管的欧拉电压VA的计算公式简化为 <formula>formula see original document page 5</formula>
进一步运算得到欧拉电压计算公式 由前面的论述可知，采用恒定电流偏置时，VA—^可以为负，即VA—SH < O，而在基极宽度调制时，无论采用恒定电压偏置还是恒定电流偏置，VA— 均为正值，因此在一定范围内合理选择偏置电流，I VA—BWM+VA—SHI《IVA—SHI ， VA增加，而当VA—BWM+VA—SH——> 0时，VA将变得很大。 经过验证，测试两个SOI (Silicon On Insulator)中的NPN型双极晶体管，采用恒定电流流偏置，电流值Ib依次增加，记录对应欧拉电压VA，可以获得图10a所示VA-Ib曲线图。由图可见，在小电流区，欧拉电压VA基本不随基极电流变化；在较大电流时，VA随lb增加而显著增加；随着基极偏置电流持续增加，VA开始下降，最终变为负值。图lOb为恒定电流偏置时的归一化Ic-Vce曲线图，中等基极偏置电流时，曲线比较平坦，对应欧拉电压VA较高，此时电路带负载能力较强，而由于未改变器件物理尺寸或掺杂浓度，其电流放大系数不会因欧拉电压变大而减小，故其放大能力也不受影响，这正是电路设计者们所期望的。
基于以上实验及推理，本发明提出一种提高晶体管性能的方法。图11为本发明一种提高晶体管性能方法的流程图。本发明一种提高晶体管性能的方法，包括如下步骤
首先选择一电流源； 其次利用该电流源对该晶体管进行基极偏置； 调整该电流源使该晶体管基极产生一中等基极偏置电流，该中等基极偏置电流的大小至少使得自热效应导致的VA—SH小于0，并且该中等基极偏置电流的大小使得自热效应产生的欧拉电压VA—^与基极宽度调制产生的欧拉电压VA— 最好符合|VA—SH|《|VA—BWM|，较佳的，该中等基极偏置电流的大小使得自热效应产生的欧拉电压VA—^与基极宽度调制产生的欧拉电压VA—M符合VA—腿+VA—SH——> 0。 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
权利要求
一种提高晶体管性能的方法，包括如下步骤选择一电流源；利用该电流源对该晶体管进行基极电流偏置；调整该电流源使该晶体管基极产生一中等基极偏置电流。
2. 如权利要求1所述的提高晶体管性能的方法，其特征在于，该中等基极偏置电流的 大小至少使得该晶体管自热效应产生的VA—SH小于0。
3. 如权利要求1所述的提高晶体管性能的方法，其特征在于，该中等基极偏置电流的 大小使得该晶体管自热效应产生的欧拉电压VA—^与基极宽度调制产生的欧拉电压VA— 符合|VA—SH|《|VA—BWM|。
4. 如权利要求2或3所述的提高晶体管性能的方法，其特征在于，该中等基极偏置电流 的大小使得该晶体管自热效应产生的欧拉电压VA—SH与基极宽度调制产生的欧拉电压VA—BWM 符合VA—BWM+VA—SH趋近于O。
5. 如权利要求4所述的提高晶体管性能的方法，其特征在于，该晶体管为双极晶体管。
全文摘要
本发明公开一种提高晶体管性能的方法，该方法通过采用一电流源对晶体管进行恒定电流基极偏置，并通过改善偏置条件获得合适的基极恒定电流，以使该晶体管获得较大的VA，本发明可以不影响晶体管的放大系数而使晶体管获得较大的VA，改善了晶体管的性能。
文档编号H03K19/003GK101694993SQ200910194438
公开日2010年4月14日 申请日期2009年8月21日 优先权日2009年8月21日
发明者彭树根, 曼纽拉·内耶, 陈天兵 申请人:上海宏力半导体制造有限公司;