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)稱性和熱均勻性

    為保證上下管電流的對(duì)稱性，達(dá)林頓管版圖上下對(duì)稱分布。如圖2所示，基極金屬連接和叉指結(jié)構(gòu)對(duì)稱分布，發(fā)射極金屬連接位于內(nèi)側(cè)對(duì)稱分布，叉指結(jié)構(gòu)沿著電流方向不斷變寬對(duì)稱分布。在大電流通過時(shí)，由于器件等寄生因素帶來的熱效應(yīng)，版圖設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮熱對(duì)稱性和熱均勻性^[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^高。同時(shí)較高的匹配性和對(duì)稱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)射極電流通過寬發(fā)射極金屬從底部引出，下半部分電流從集電極頂部引出，中間通過寬金屬輸出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)超過另外一側(cè)，當(dāng)電流密度超過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，通過高密度等離子體刻蝕形成淺槽，通過注入提高場(chǎng)開啟，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Calibre_DRC驗(yàn)證滿足70 V高壓雙極型版圖規(guī)則，通過軟件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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[4] SAINT C，SAINT J.集成電路版圖設(shè)計(jì)IC Mask Design[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[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550025）