半导体器件物理双极型晶体管功率特性

1、关于半导体器件物理双极型晶体管功率特性第一张，PPT共三十四页，创作于2022年6月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，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。第二张，PPT共三十四页，创作于2022年6月基极电阻 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

2、) 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） rB1 所以： 第三张，PPT共三十四页，创作于2022年6月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。第四张，PPT共三十四页，创作于2022年6月二、基区串联电阻

3、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）第五张，PPT共三十四页，创作于2022年6月三、方块电阻的计算 对于均匀材料， 对于沿厚度方向 ( x 方向 ) 不均匀的材料第六张，PPT共三十四页，创作于2022年6月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，即第七张，P

4、PT共三十四页，创作于2022年6月四、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、采用双基极条结构第八张，PPT共三十四页，创作于2022年6月42 发射极电流集边效应与晶体管图形设计一、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结等效电路第九张，PPT共三十四页，创作于2022年6月(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

5、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： （VBE）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。 第十张，PPT共三十四页，创作于2022年6月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

6、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。第十一张，PPT共三十四页，创作于2022年6月二、晶体管发射区设计1、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

7、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 n14）加入嵌位二极管，使BVdiode BVCBO第二十五张，PPT共三十四页，创作于2022年6月肖特基箝位BJT与NPN晶体管的对比NPN晶体管肖特基箝位晶体管第二十六张，PPT共三十四页，创作于2022年6月二、晶体管的最大功耗与热阻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

8、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。第二十七张，PPT共三十四页，创作于2022年6月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，使得器件无法正常工作，此时对应的温度为最高结温Tjm。第二十八张，PPT共三十四页，创作于2022年6月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。

9、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。第二十九张，PPT共三十四页，创作于2022年6月(1) 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

10、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第三十张，PPT共三十四页，创作于2022年6月可以看出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) 降低使用环境问题第三十一张，PPT共三十四页，创作于2022年6月三、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 高集电极电压和最大功耗线所限定，即必须改善二次击穿特性，使二次击穿临界线移到最大功耗线之外。2）其次，