0 引言

    功率電子電路大多要求具有大電流輸出能力，以便驅(qū)動(dòng)各種類(lèi)型的負(fù)載,。功率驅(qū)動(dòng)電路是功率電子設(shè)備輸出電路的一個(gè)重要組成部分,，大電流達(dá)林頓晶體管陣列結(jié)構(gòu)廣泛用于這類(lèi)可控大功率器件^[1]。達(dá)林頓陣列結(jié)構(gòu)具有較高的電流增益,，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),，達(dá)林頓結(jié)構(gòu)用作輸出級(jí)，為單片高壓大功率集成電路驅(qū)動(dòng)能力提供了可能^[2],。

    單片高壓功率模擬IC具有電源電壓高,、輸出電流大的特點(diǎn)，達(dá)林頓晶體管結(jié)構(gòu)廣泛用于中大功率模擬IC產(chǎn)品中,。為了達(dá)到較高的電流承載能力和耐壓特性,，達(dá)林頓管陣列需要并聯(lián)的晶體管數(shù)量巨大。在輸出大電流時(shí),，電路工作會(huì)產(chǎn)生很大的熱量,，對(duì)版圖的布局和散熱造成很大困難，需要提出一種兼顧性能和版圖面積的達(dá)林頓管版圖結(jié)構(gòu),。

1 大電流特性設(shè)計(jì)

    本文達(dá)林頓陣列結(jié)構(gòu)版圖已用于一款高壓大功率運(yùn)放的輸出級(jí),。電路輸出級(jí)采用復(fù)合NPN達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)大電流,，要求版圖具有輸出9 A峰值大電流能力。

1.1 電路設(shè)計(jì)

    電路輸出級(jí)為雙端輸入,、單端并聯(lián)輸出的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),。如圖1所示，上下兩端分別為復(fù)合共集,、共射輸出,，T1、T2和T3,、T4構(gòu)成NPN+NPN復(fù)合達(dá)林頓結(jié)構(gòu), T1,、T2發(fā)射極輸出，T3,、T4集電極輸出,，其中T2和T4陣列分別并聯(lián)了18 000個(gè)小功率NPN管。兩端功率管同時(shí)工作時(shí),，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電流的雙倍輸出,。

1.2 版圖布局對(duì)稱(chēng)性和熱均勻性

    為保證上下管電流的對(duì)稱(chēng)性，達(dá)林頓管版圖上下對(duì)稱(chēng)分布,。如圖2所示,，基極金屬連接和叉指結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)分布，發(fā)射極金屬連接位于內(nèi)側(cè)對(duì)稱(chēng)分布,，叉指結(jié)構(gòu)沿著電流方向不斷變寬對(duì)稱(chēng)分布,。在大電流通過(guò)時(shí)，由于器件等寄生因素帶來(lái)的熱效應(yīng),，版圖設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮熱對(duì)稱(chēng)性和熱均勻性^[3],。上下兩組達(dá)林頓管，陣列單元內(nèi)由頂部至底部不斷加寬,，降低電流頂部和底部的不均勻?qū)е碌木植繙囟冗^(guò)高,。同時(shí)較高的匹配性和對(duì)稱(chēng)布局也可防止由于工藝原因造成的電路性能失調(diào)。由圖2熱度梯度表顯示,，熱量分散均勻,。

1.3 陣列結(jié)構(gòu)射出大電流設(shè)計(jì)

    兩組達(dá)林頓管，上半部分所有陣列單元發(fā)射極電流通過(guò)寬發(fā)射極金屬?gòu)牡撞恳?，下半部分電流從集電極頂部引出,，中間通過(guò)寬金屬輸出9 A的電流，減少了走線面積,。當(dāng)版圖側(cè)邊出線時(shí)，所有的電流會(huì)流經(jīng)出線側(cè)底部很小的一塊金屬,，如圖3所示,，電流產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)另外一側(cè),，當(dāng)電流密度超過(guò)金屬的最大電流密度時(shí)，會(huì)燒斷金屬連線,。當(dāng)采用底部寬金屬出線,，可有效避免電流在側(cè)邊出線時(shí)，版圖拐角造成的大電流積累,，超過(guò)拐角金屬的最大電流密度,，造成版圖失效。

    在大電流環(huán)境下為了保證達(dá)林頓管對(duì)電流的放大作用,，發(fā)射極金屬需承受I_O=9 A電流,，共有180個(gè)指狀發(fā)射區(qū)，每個(gè)指狀發(fā)射區(qū)需承受50 mA電流大小,。

    采用70 V雙極型晶體管工藝,，M1的電流密度約為J=1 mA/μm，M1金屬層電阻ρ=0.058 Ω/μm,，發(fā)射極接觸孔電阻R=2.1 Ω/cont,。單個(gè)發(fā)射極叉指寬度w=10 μm，每個(gè)叉指含n個(gè)接觸孔,，叉指長(zhǎng)度為L(zhǎng),。所能承受的電流大小I₁由下式可得：

    經(jīng)計(jì)算每個(gè)叉指能承受的電流大于50 mA。

1.4 陣列結(jié)構(gòu)單元穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

    用作大電流環(huán)境時(shí),，由于載流子的堆積,，發(fā)射極邊緣所承受的壓降較中間更大。同時(shí)發(fā)射區(qū)版圖電流從底部引出,，較頂部所承受的電流更大,，發(fā)射極條狀結(jié)構(gòu)越長(zhǎng)，電流分布就會(huì)越不均勻^[4],。在不改變發(fā)射極長(zhǎng)度的情況下,，為增加達(dá)林頓陣列結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，如圖4所示,，發(fā)射區(qū)寬度從頂部至底部不斷加寬,，增大電流的承受能力，同時(shí)發(fā)射指加寬也能減小發(fā)射極去偏置效應(yīng),，縮短發(fā)射指長(zhǎng)度,，減小限流電阻的值，降低功耗,。為了避免發(fā)射極去偏置效應(yīng),，在每個(gè)發(fā)射極連線中插入限流電阻,重新分配叉指流過(guò)的電流，限制指狀發(fā)射極的電流大小,。每個(gè)叉指上晶體管約能承受1/4限流電阻上電壓^[5],，金屬最大電流密度為J,，發(fā)射指長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為W,，發(fā)射極基極的電壓差為V_be,，由式(2)可得所需電阻阻值R。

1.5 最大化發(fā)射極有效周長(zhǎng)

    選用70 V雙極型工藝,，為保證NPN管在大電流情況下的放大能力,，需要足夠的發(fā)射極有效周長(zhǎng)，增大放大倍數(shù),。版圖設(shè)計(jì)時(shí),，基極叉指分布在發(fā)射極叉指兩側(cè)，對(duì)應(yīng)的剖面圖如圖5所示,，等深的基區(qū)分布于發(fā)射區(qū)的兩側(cè)充分利用發(fā)射極面積,。由于輕摻雜的基區(qū)，會(huì)導(dǎo)致大電流時(shí),，發(fā)生發(fā)射極集邊效應(yīng),，NPN管工作時(shí)載流子會(huì)聚集在發(fā)射極一側(cè)。當(dāng)兩邊均被等寬的基區(qū)包住時(shí),，基區(qū)載流子會(huì)在電流通過(guò)時(shí)聚集在發(fā)射極的兩側(cè)和底部,，增大了有效發(fā)射區(qū)面積。

1.6 提高布線平整性設(shè)計(jì)

    功率達(dá)林頓管工作時(shí)電流較大,，且達(dá)林頓管占用面積較多,。若采用傳統(tǒng)的雙極型工藝，會(huì)在刻蝕的區(qū)域產(chǎn)生較高臺(tái)階,，大電流工作時(shí),，凹凸不平的表面會(huì)使電流積聚，導(dǎo)致金屬連線斷裂,。本次設(shè)計(jì)改進(jìn)了雙極型工藝,，采用了STI、LOCOS工藝實(shí)現(xiàn)集成器件等平面結(jié)構(gòu),，降低器件整體臺(tái)階高度,，提高鋁布線平緩度，降低電流分布受臺(tái)階的影響,。工藝流程為隔離擴(kuò)散后有源區(qū)中刻出場(chǎng)區(qū)后,，通過(guò)高密度等離子體刻蝕形成淺槽，通過(guò)注入提高場(chǎng)開(kāi)啟,，然后高壓氧化,，形成基本平緩的表面，再在有源區(qū)內(nèi)制作器件。改進(jìn)后如圖6所示,，發(fā)射區(qū),、基區(qū),、集電區(qū)高度近乎相同,，臺(tái)階有效降低，布線平整性提高,，降低了大電流達(dá)林頓管受布線臺(tái)階影響,。

2 仿真驗(yàn)證

    達(dá)林頓陣列版圖設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過(guò)Calibre_DRC驗(yàn)證滿(mǎn)足70 V高壓雙極型版圖規(guī)則,，通過(guò)軟件Calibre_xRC提取寄生參數(shù)用于后仿,。添加版圖寄生參數(shù)后，電源±35 V供電,，負(fù)載電阻選用6 Ω,，負(fù)載電容選用100 pF，通過(guò)Cadence_spectre完成了后仿真,。電路仿真結(jié)果如圖7所示,，正向電流峰值達(dá)到9.52 A，反向電流為-9.04 A,。添加提取的版圖寄生參數(shù),，后仿真結(jié)果如圖8所示，正向電流為9.02 A,，負(fù)向?yàn)?.84 A,，滿(mǎn)足輸出9 A動(dòng)態(tài)電流要求。

    大功率運(yùn)放芯片整體版圖如圖9所示,，輸出級(jí)達(dá)林頓管面積為4 000 μm×2 251.5 μm,，約占芯片內(nèi)部核心面積的6/7，后仿真結(jié)果達(dá)到要求,，沒(méi)有違反設(shè)計(jì)規(guī)則,，可進(jìn)行流片。

3 結(jié)論

    本文基于70 V高壓雙極型工藝,，設(shè)計(jì)了一種中大功率達(dá)林頓陣列版圖結(jié)構(gòu),。采用單元陣列對(duì)稱(chēng)叉指結(jié)構(gòu)，散熱均勻,，穩(wěn)定性好,，改進(jìn)工藝采用等平面布線結(jié)構(gòu)后，降低了布線臺(tái)階,，提高了面積利用率,。版圖用于一款高壓功率運(yùn)放的輸出級(jí)，添加相關(guān)寄生參數(shù)后仿真結(jié)果表明，能夠達(dá)到電路驅(qū)動(dòng)9 A峰值電流,。

參考文獻(xiàn)

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[5] HASTINGS A.模擬電路的版圖的藝術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,，2011.

作者信息:

徐凱英1，馬  奎1,，2

（1.貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院,，貴州 貴陽(yáng)550025；2.貴州省微納電子與軟件技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，貴州 貴陽(yáng)550025）