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ESD增強型器件推動(dòng)超高頻放大器在汽車(chē)電子中的應用
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時(shí)間：2016-12-15
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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汽車(chē)制造業(yè)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(chǎn)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(shù)，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(chē)制造業(yè)中使用非常理想。
現在各種各樣的汽車(chē)系統都利用了RF技術(shù)，包括無(wú)鍵遙控輸入(RKE)、GPS、衛星數字式聲頻無(wú)線(xiàn)電服務(wù)(SDARS)和輪胎壓力監控系統(TPMS)。這些系統中的每一個(gè)都要求射頻模塊具有成本低、耐用度/強度高的優(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定，所以當擊穿電壓下降(從典型值50 V 到3 V左右)的時(shí)候，它們有呈現出更高的電流密度(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。
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。對于一個(gè)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(dòng)因素，但是同時(shí)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(shí)1500V的人體模型(HBM)脈沖，在1.8 GHz時(shí)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(jiàn)MILSTD 883D 。在這個(gè)標準中，一個(gè)100pF的電容被參考電壓VREF充電。隨后參考電壓被斷開(kāi)，在測試中，當當電容經(jīng)過(guò)一系列的1,500Ω電阻接到待測器件上的時(shí)候又會(huì )被充電。這個(gè)電路裝置可以被看成電流源。
當參考電壓為100 V時(shí)，被用來(lái)作為對ESD來(lái)說(shuō)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(shí)，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(shí)候，它能經(jīng)受得住這些測試的考驗，且其性能沒(méi)有下降，也沒(méi)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(xiàn)脈沖測量(TLP)經(jīng)常被用來(lái)估計ESD的容限。
一個(gè)ESD 脈沖最好被理解成器件內部的一個(gè)急劇電流波動(dòng)。對于第一階的近似值來(lái)說(shuō)，假設在器件經(jīng)歷這個(gè)電流波動(dòng)期間整個(gè)事件發(fā)生的非?？煲灾劣跓崃慷紒?lái)不及傳播和消耗的話(huà)，它就是有效的。結果，由ESD感應電流波動(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(guò)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 )導致器件故障。由于電流密度是導致器件故障的關(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(méi)有相互關(guān)系。
為了提高耐用性，RF集成電路設計師們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了ESD內部保護結構，用來(lái)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(shí)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(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(lái)應用ESD 脈沖，而未使用的器件引腳仍然是開(kāi)路(未連接)。通常當ESD 脈沖反方向接在PN結兩端的時(shí)候晶體管最容易損壞。而依賴(lài)于特殊半導體工藝技術(shù)，集電極-基極結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(gè)晶體管的電壓都加在了集電極地層，增強了這個(gè)區域的磁場(chǎng)強度(集電極區域的自由電子密度已經(jīng)超過(guò)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(gè)磁場(chǎng)達到了大約3×105V/cm的內部擊穿磁場(chǎng)強度的時(shí)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(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(chēng)為“二次激變”。
ESD脈沖包含的大多數能量都被釋放在磁場(chǎng)強度最高的地方，這一點(diǎn)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(gè)正反饋機制這個(gè)過(guò)程就這樣周而復始的繼續下去，結果，電流會(huì )逐漸聚集一個(gè)越來(lái)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。晶體管單元的細心設計也能幫助避免此類(lèi)破壞作用。例如，晶體殘缺不完整，邊緣過(guò)于鋒利，拐角的斷開(kāi)都可以導致局部電場(chǎng)強度增加，這些缺陷都是應該被避免的。
一個(gè)減少ESD感應磁場(chǎng)的直接方式是通過(guò)選擇降低層中摻雜質(zhì)的密度，用來(lái)分散相反極性的電荷更加深入的進(jìn)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(gè)過(guò)渡層。這個(gè)過(guò)渡區域的摻雜質(zhì)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(gè)過(guò)渡區在正常的工作中可以被當作一個(gè)層(圖1)。這種設計方法被運用到了BFP460中用來(lái)把ESD的容限從300V提升到1500V(具有64um2發(fā)射極區域的封裝器件)。
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