半导体器件物理-双极型晶体管功率特性

1、双极晶体管的功率特性游海龙41 基区串联电阻RB 一、基区串联电阻RB的组成特点 1、基区串联电阻RB的组成如果把基极电流 IB 从基极引线经非工作基区流到工作基区所产生的电压降，当作是由一个电阻产生的，则称这个电阻为基极电阻基极电阻，用 rB 表示。由于基区很薄，rB 的截面积很小，使 rB 的数值相当可观，对晶体管的特性会产生明显的影响。 基极电阻 rB 大致由下面四部分串联构成： ( 1 ) 基极金属电极与基区的欧姆接触电阻 rcon ( 2 ) 基极接触处到基极接触孔边缘的电阻 rB3 ( 3 ) 基极接触孔边缘到工作基区边缘的电阻 rB2 ( 4 ) 工作基区的电阻（发射极正下方）

2、rB1 所以： con321BBBBrrrrr 2、基区串联电阻RB的特点 (1) 对多子电流IB呈现的电阻（基极电流为多子电流）； (2) 实际基区串联电阻RB由四部分组成； (3) 多子电流IB流动方向上的截面积很小导致RB1较大； (4) RB3 和RB1是“分布电阻”不能采用常规的电阻计算公式。 注：流过普通电阻的电流时均匀的，而流过基极电阻的电流是不均匀的，产生的压降也不均匀，因而基区电阻一般采用平均电压法或平均功率法。 二、基区串联电阻RB的影响1、由基区自偏压效应导致的电流集边效应 晶体管工作在大电流状态时，较大的基极电流流过基极电阻，将在基区中产生较大的横向压降，使发射结的正向

3、偏置电压从边缘到中心逐渐减小，发射极电流密度则由中心到边缘逐渐增大，由此而产生发射极电流集边效应（也称为基区电阻自偏压效应）。2、使输入阻抗增大3、在线路应用中形成反馈（影响晶体管的功率特性和频率特性） 三、方块电阻的计算 对于均匀材料， 对于沿厚度方向 ( x 方向 ) 不均匀的材料11LRLWWWq NW口0011ddWWRxqN x口 对于矩形的薄层材料，总电阻就是 R口 乘以电流方向上的方块个数，即(LLRRRWdd口口方块个数） 四、降低RB的措施 1、增大基区掺杂浓度（适当） 2、增大基区宽度（适当） 注： 以上两个措施会降低电流增益，降低发射结击穿电压，提高发射结势垒电容 3、减

4、小电极条的宽度以及电极条之间的间距（取决于光刻工艺水平） 4、采用双基极条结构42 发射极电流集边效应与晶体发射极电流集边效应与晶体管图形设计管图形设计 一、发射极电流集边效应1、基区自偏压效应 (1) 考虑基区电阻的EB结等效电路(2) 基区自偏压 晶体管工作在大电流状态时，较大的基极电流流过基极电阻，将在基区中产生较大的横向压降，使发射结的正向偏置电压从边缘到中心逐渐减小，发射极电流密度则由中心到边缘逐渐增大，称为基区电阻自偏压效应（也称为发射极电流集边效应）。(3) EB结面上的实际偏置电压（VBE）J 外加在BE电极上偏压（VBE）A， 实际落在BE结上的电压（VBE）J 则： （VB

5、E）A （VBE）J ； BE 结上不同位置，（VBE）J不同。 注：由于发射区重掺杂，可认为是等电位的。 2、发射极电流集边效应(1) 发射极电流集边效应 晶体管工作在大电流状态时，较大的基极电流流过基极电阻，将在基区中产生较大的横向压降，使发射结的正向偏置电压从边缘到中心逐渐减小，发射极电流密度则由中心到边缘逐渐增大，称为发射极电流集边效应。(2) 电流集边效应的影响 发射区边缘处电流密度较大，易导致局部过热； 发射区边缘处电流密度较大，易导致局部大注入效应； 发射极电流不均匀，会导致发射区下方的横向基极电流不 均匀，故研究实际的横向电压降随距离的变化需用二维分析。 二、晶体管发射区设计1

6、、单位发射区条长允许的最大电流(1) 考虑问题的出发点 由于电流集边效应，发射极边上的电流密度将大于发射结上的平均电流密度，由大注入而产生的基区扩展效应将首先在边界上发生。为防止基区扩展效应，需合理选取发射条周界上的电流容量。 (2) 单位发射区条长允许的最大电流(工程实用数据) 线性放大应用 ICMI 0.05mA/um 功率放大应用 ICMI 0.04mA/um 开关应用 ICMI 0）、反偏（IB n2 n1 4）加入嵌位二极管，使BVdiode BVCBO肖特基箝位肖特基箝位BJT与与NPN晶体管的对比晶体管的对比NPN晶体管晶体管肖特基箝位晶体管肖特基箝位晶体管二、晶体管的最大功耗与

7、热阻 1、晶体管功耗与结温 当晶体管工作时，电流流过发射结、集电结和体串联电阻都会产生功率耗散，因此总耗散功率： 正常工作状态下，发射结正偏电压VBE远小于集电结反压VCB，体串联电阻rCs也很小，因此晶体管的功率主要耗散在集电结上， 耗散功率转化为热量，使集电结成为晶体管的发热中心。2*cEBECCBCCsPIVIVIr*cCCBPIV 若直流电源提供给晶体管的功率为PD，则输出功率PO=PD-PC，效率： 显然电路的输出功率PO受晶体管本身耗散功率PC限制。 最高结温：耗散功率转化为热量，将使集电结温度升高，本征载流子浓度随温度的升高而增大，当半导体中的本征载流子浓度接近其掺杂浓度时，使得

8、器件无法正常工作，此时对应的温度为最高结温Tjm。OODOCPPPPP1OCPP 2、晶体管热阻 耗散功率转化为热量，将使结温度升高。当结温Tjm高于环境温度时，热量就靠温差由管芯通过管壳向外散发。散发出的热量则随着温差的增大而增加。当结温上升到耗散功率能全部变成散发的热量时，结温不再上升，晶体管处于热动态平衡状态。 在散发条件一定的情况下，耗散功率PC愈大，结温就愈高。 在热稳定状态下，单位时间内由耗散功率转换出的热量等于向外散发的热量。在限定结温下，晶体管所能承受的耗散功率由晶体管的散热能力决定。一般用热阻来表示晶体管散热能力的大小。 任意两点间的温差与其热流之比，称为两点间的热阻。(1)

9、 稳态热阻：热稳定状态下的热阻，此时耗散功率产生的热量全部通过热流进行散发。 d：材料厚度 K：热导率 A：面积 热阻同电阻一样可串联：(2)瞬态热阻：在稳定状态下，晶体管的耗散功率恒定不变，但在开关和脉冲电路中，晶体管功率都是随着时间变化的，结温和管壳温度也随时间变化，热阻变成随时间变化的瞬态热阻： CT：热容3、最大耗散功率：设环境温度Ta，最高结温Tjm，则稳态时，晶体管的最大耗散功率瞬态时TdRKATdRKA总TT-tC RTSTRR 1 e（ -）jmaCMTTTPRTTjmajmaCMS-tTSC RTTTTTPRR 1 e（ -） 可以看出PCMSPCM，在脉冲工作状态下，器件的耗散功率大于直流工作时的耗散功率。一般给定Ta=25的耗散功率，则环境温度为T时的耗散功率可以写为： 4、提高PCM的措施 (1) 降低热阻RT 加散热器、减薄衬底厚度 (2) 提高最高结温 (3) 降低使用环境问题ajmCM(T)CM(T )jmaTTPPTT 三、安全工作区 指晶体管能安全、可靠的工作，并具有较长寿命的工作范围。1、确定安全工作区的四个制约条件 (1) ：最大集电极电流 (2) BVCEO：极限电压 (3) ：二次击穿临界线 (4) PCM ：最大功耗2、安全工作区1）要扩大安全工作区，首先必须努力 做到使安全区由最大集电极电流、最 高