英飛凌ESD增強型器件的特點及仿真性能分析

汽車制造業在超高頻（UHF）頻段的應用要求晶體管不但具有良好的射頻性能，還要很好魯棒性。英飛凌公司生產的BFP460正是一款對應于這種應用的通用的晶體管，它是靜電釋放（ESD）增強型器件。它受益于具有23GHz轉換頻率的雙極硅加工技術，能夠安全地承受任意一對引腳間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，這種放大器對在汽車制造業中使用非常理想。

現在各種各樣的汽車系統都利用了RF技術，包括無鍵遙控輸入（RKE）、GPS、衛星數字式聲頻無線電服務（SDARS）和輪胎壓力監控系統（TPMS）。這些系統中的每一個都要求射頻模塊具有成本低、耐用度/強度高的優良性能（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定，所以當擊穿電壓下降（從典型值50 V 到3 V左右）的時候，它們有呈現出更高的電流密度（在一個典型的晶體管的工作點上大約3mA/μm2或300，000A/cm2）的趨勢。

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決定的。對于一個高轉換頻率，集電極必須要薄。為了得到高增益，所有內部寄生電容必須要小，這是橫向尺寸規格縮小的推動因素，但是同時也使晶體管的ESD更容易損壞。

嚴格的晶體管ESD損壞機制研究表明在器件ESD的強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果，目的是承受當達到23 GHz的截止頻率時1500V的人體模型（HBM）脈沖，在1.8 GHz時有17.5 dB的最大穩定增益和1.1 dB的最小噪聲數字。

最廣泛被使用的ESD 測試標準是HBM，詳見MIL STD 883D 。在這個標準中，一個100pF的電容被參考電壓VREF充電。隨后參考電壓被斷開，在測試中，當當電容經過一系列的1，500Ω電阻接到待測器件上的時候又會被充電。這個電路裝置可以被看成電流源。

當參考電壓為100 V時，被用來作為對ESD來說具有器件體積小和靈敏度更高的低噪聲晶體管，而當電壓達到5，000 V時，則被用作較舊式的，較低性能的大體積晶體管。DUT被認為是一種評定特殊ESD等級的方式，即在電壓值為VREF的時候，它能經受得住這些測試的考驗，且其性能沒有下降，也沒有出現故障。盡管ESD測試如今也可能用到晶片上芯片等級的評定上，但作為代表的是其已在封裝器件中得以使用。作為一種對人體標準可供選擇的方法，傳輸線脈沖測量（TLP）經常被用來估計ESD的容限。

一個ESD 脈沖最好被理解成器件內部的一個急劇電流波動。對于第一階的近似值來說，假設在器件經歷這個電流波動期間整個事件發生的非?？煲灾劣跓崃慷紒聿患皞鞑ズ拖牡脑?，它就是有效的。結果，由ESD感應電流波動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極限值，超過這個值實際上就會使器件中的硅熔化。

事實上，硅材料的融化會導致器件故障。由于電流密度是導致器件故障的關鍵一條，所以具有較大發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-發射極之間的擊穿電壓VCEO與其阻抗和ESD損壞并沒有相互關系。

為了提高耐用性，RF集成電路設計師們已經開發了ESD內部保護結構，用來幫助保護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結構也在RF端加入了寄生電容，電感和損耗，因此導致其性能下降，同時也使得這種結構不適合與分立器件（對性能要求更高）一起使用。

在一個像雙極晶體管這樣的三引腳器件中，經由器件的任意兩個引腳一共有六種可能的方式來應用ESD 脈沖，而未使用的器件引腳仍然是開路（未連接）。通常當ESD 脈沖反方向接在PN結兩端的時候晶體管最容易損壞。而依賴于特殊半導體工藝技術，集電極-基極結通常是微弱的連接在RF晶體管上。

在發生ESD期間，基極-集電極的空間電荷被壓入高度摻雜質的底層（或RF IC中的隱埋層）。這種情形與所謂的Kirk效應非常相似。幾乎整個晶體管的電壓都加在了集電極地層，增強了這個區域的磁場強度（集電極區域的自由電子密度已經超過了摻雜密度）。因為集電極的自由電荷必須被極性相反的電荷補償，它們能夠中和的唯一的區域就是高度摻雜層（或隱埋層）。就硅而言，如果這個磁場達到了大約3×105V/cm的內部擊穿磁場強度的時候，那么大量的撞擊離子就出現了。形成了更多的自由載體（電子和空穴）并發生逃逸，同時外部電壓擊穿。在VCEO突變后的這種作用在參考1中被稱為“二次激變”。

ESD脈沖包含的大多數能量都被釋放在磁場強度最高的地方，這一點增加了局部器件溫度。由于具有內在傳導機制，這反而又增加了自由載體的數量。借助于一個正反饋機制這個過程就這樣周而復始的繼續下去，結果，電流會逐漸聚集一個越來越小的點上，隨后硅材料會被融化并燒毀。

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感應波動電流的聚集。

一系列的阻抗使得波動電流呈分布狀態，并能幫助避免隨后的破壞發生。晶體管單元的細心設計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致局部電場強度增加，這些缺陷都是應該被避免的。

一個減少ESD感應磁場的直接方式是通過選擇降低層中摻雜質的密度，用來分散相反極性的電荷更加深入的進入層內?？蛇z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域之間插入一個過渡層。這個過渡區域的摻雜質密集度要比活躍的集電極區域高，但是要比底層的低；盡管如此，它必須要足夠高到使這個過渡區在正常的工作中可以被當作一個層（圖1）。這種設計方法被運用到了BFP460中用來把ESD的容限從300V提升到1500V（具有64um2發射極區域的封裝器件）。

仿真性能

利用DESSIS CAE仿真器可以獲取更多ESD的機制。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，要為物理模型設計一個HBM電路，且電容器的放電可以在時域內計算出來。由于反向脈沖負載下的基極－集電極的性能很差，因而常用來做分析。

參考電容可以達到3000V并且最高電流密度可達到12.6 mA/μm2（圖2）。對于普通的晶體管，場的異常高區域通常在集電極襯底層邊緣處，然而可以利用緩沖區來有效的降低它，這是由于ESD電流中的自由電子的補償作用分布的更深更廣。而且在內部基極連接處，很高的電流密度也會導致高能電場的產生。通過對很多案例分析發現，該處的硅已經融化了。

圖3中的電流-電壓（I-V）曲線顯示了緩沖層的作用。曲線是在很多時間段上繪制的，利用箭頭合標記來標明時間的發展方向。雪崩效應和電壓崩潰的并發造成了曲線前端的不穩定，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斜率的I-V特性：如果雪崩效應在一點變得強烈，該處的電壓會上升。如果電壓穩定并均衡，就不會出現電流擁擠的現象。

在分散的射頻晶體管的生產向英飛凌的新流程“自排列雙極性方法”的過渡中，有機會對BFP460做新的設計。在新流程中，發射極是利用對n極層的沉積來取代以前摻雜砷的方法。該方法嚴格控制生產過程的參數，并在參數的小范圍內實現對晶體管高容量運行的控制。

例如平板射頻晶體管的直流電流增益（hFE）通常在一個很寬的范圍內分布，但在BFP460的生產中，卻在很小的范圍內（100到150之間）可控。

盡管ESD增強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（感應器）。其應用板上帶有一種可選的低功耗極總帶通濾波器，中心頻率設為315MHz，并可重設為434MHz，可以用來降低通帶外被過濾掉的信號對RKE接收器的影響。應用板支持LNA以及濾波器的自測試，或者二者同時測試。

LNA可以無條件的穩定，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，且無需更改任何設置。

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