第四章功率特性双极型晶体管的

大系数的影响(基区电导调制大电(大注入4.1集电极最大允许工作电4.3有效基4.3有效基区扩展效4.4发射极电流集边效4.5发射极单位周长电流容量--线电流密大功4.6晶体管最大耗散功率高电压(击穿高电压(击穿813频率特性4功率特 5开关特2npn

81P-N2晶体管的输出功率受 最高耐压BVcbo、的限制本章将围绕区的3晶体管电流放大系数与集电极电流的关系见图4-1在大电流下，随Ic增加而迅速减小，限制了晶体管最大工作电流晶体管的电流放大系数主要决定于和，分析大电流下哪些特使和发生哪些变为了衡量晶体管电流放大为了衡量晶体管电流放大特定义:共发射极直流短路电流放大系数0下降到最大值0M的一半(即o／oM＝0.5)4随IC的增加而下降：发射效率、基区输运*、（势垒、表面）复均匀基区，缓变基区（强场、弱场均匀基区，缓变基区（强场、弱场5基区大注入下的电流（以n-p-n管为例JqD[1np(xp)]dnpnpJqD[1np(xp)]dnpnp(xxpp对于均匀基区晶体nn(x)n0n(x)n(x)npppppppbp(x)p0p(x)pppppbnbdnp(x)nbW因为 bb6 nb(0)Wb n]xpbb当nb(0)Nb时，方括号中第2项1，上式变Jne

W

b同样的注入边界浓度下 7对于缓变基区晶体管，基区内已经存在着由于杂质分布不均匀而产生的缓变基区自建电场。在大注入情况下，注入8 Wb9子浓度梯度的要求与基区杂质电离以后形成的多子浓度梯度方向是的，这时杂质电离生成的多子不再象小注入时那样向集电结方向扩散并建立缓变基区自建电场，而是按照基区大注入自建电场的要求去重新分 在(大注入、缓变基区)自建电场E作用Jpq

qDp qpE nJpp(x)E

E p(x)NB(x)nbEE1q BbdBn)kT b BbB1 dnbBb EbBbq1 BbE

d n)kT

dNB

dnbBb NBnbBb

NB NB

NB b E bNB NB 基区性，基区积累起与少子相同浓度和分布的空穴nn(pp) 0pnp(p)p(p)nbp(x)p0p(x)pppppbnbn(0)N时np(xp) ；n(0)10N时np(xp) p(x) p(x) 小注入下，基区小注入下，基区电阻率1b(4- N大注入下，pbNbpNbn，基区电阻'b1(bb b可见，非平衡少子浓度的变化引起基区电阻率的变化（调制）际上，引起电阻率变化的因素包 浓度的非平衡少子，但作为基区电导调制效应影响电流放大系数（发射效率）的是基区3.基区大注入对电流放大系数的影 11 xW0 e W2bSA 0(2- 2L2 A 基区输运（体复合）发射效率表面复合势垒复合3.基区3.基区大注入对电流放大系数的影 '

(1nN

第三项：体复合项，它表示基区体复合电流Ivb极注入的电子电流Ine之比。若基区电 为nb，

AeqWbnb

3.基区大注入对电流放大系数的影 bbbb 12n(0)1n(0)W [ bb nbxp]nbnb(0)WJ第四项：基区表面复合项，表示基区表面复合电流与发射极电子电流之比。将式(2—66)与式(4－1)相比，即可得到大注入下基区表面复合项。 A Aqn(x)Aqn0sb2SbkTSASWb[Nbnb(0)AeNb2nb ) 2 2Ae N42A 1) SA1111'1eWbNb1eWb] Nb 2Ae N（4-图4-31/随Ie的变主要作用JJqDnbNbWb参见 晶体管电流放大系数与集电极电流的关系在大电流下，随Ic增加而迅速减小，限制了晶体管最大工作电流晶体管的电流放大系数主要决定于和共发射极直流短路电流放大系数0下降到最大值0M的一半(即OM＝0.5)时所对应的集电极电流为集电极最大工作电流，记为基区大注入下的电基区电基区大注入对电流放大系数的影有效基区扩展效应是引起大电流下晶体管电流放大系因系大电流下集电结空间电荷分布情况发生变化而造β集电结空间电荷区电荷限制效应所对应的空间电荷限制效应限制的最大集电极电流由于合金管与平面管集电结两侧掺杂情况不同，空间电荷区内的电荷分布及改变规律不同，受电流变化的4.31.均匀基区晶体管的有效基区扩展效 均匀基区晶体管（合金管nqNDxnqNA

正电荷区电荷密度qNDx

W

负电荷区电荷密度

AqNA W

结上电压VC不变，则电场强b图4-5均匀基区晶体管的有效基区

4.31.均匀基区晶体管的有效基区扩展效 nn0 电极电流（密度）Jc关系，进而得到感应基区和有效基x图4-6基区宽度随电流的变

——均匀基区晶体管有效基4.31.均匀基区晶体管的有效基区扩展效

d2d2(0) (Ndx2D(x'xn00JcJpep 00

0m0m

(xdE)dx

00

(N

Jcqvsl

m)m

xdExE

Edx

pd 0m0m

n（4- (np)(VDVc 4.3q(ND c)(mq(ND c)(mJx202

VDDc)x20qvm

qvslND xm[2 V

1Jc)1

qND

4.31.均匀基区1.均匀基区晶体管的有效基区扩展xmxm0(1 cJ2xm0pND)当p=ND时

221.均匀基区晶体管的有效基区扩展效 WWcibxm0[1(1 c)2]xm0[1JpND)2W'WJ2bbm0[1(1 cWbxm0[1pND)2

xN2xN2 V1n x mAD (N DADND

ND

p;N

NA

p

nn4.3x'nx[NANDpx'nx[NANDp]n pDA则NAnxpn2N)Dxmxmxm0(1 cJ2xm0pND)2.缓变基区晶体管的有效基区扩展对于平面管（以n+-p-n-n+为例），其基区杂质浓度高于集电区，集电结空间电荷区主要向集电区一侧扩展。当大量载流子——电子穿过集电结空间电荷区由于电子的流入，引起负空间电荷区（基区侧）电荷密度增加，正空间电荷区（集电区侧）电荷密度减小。为保持电中性，负空间电荷区宽度变窄，而正至超过原正空间电荷密度，使原正空间电荷区变成中性区以至负电荷区，正负电荷区边界改变，发生有效En0En0图4-7缓变基区晶体管cb

2.缓变基区晶体管的有效基区扩展效 半导体中载流子迁移率（漂移速度）又随电场强度而变化，所以，不 场强度下，同样的电流密度可有不同在弱场中，电流的增大依靠载流子漂移速度的增大2.缓变2.缓变基区晶体管的有效基区扩展NANANDNDdE (D02.缓变dE (D0JcJcJncqvslnJqvslExExq(D)x0ExqND(1Jc)x2.缓变基区晶体管的有效基区扩展效 Exq(

Jc

)x ExqND(1Jc)x

小注入，耗尽层近似随Jc增大，斜率下降，斜线变平缓当Jc=Jcr=qNDvsl时，E(x)=E(0)，正负电荷在n区两当Jc>Jcr时，n区出现负电荷，曲线斜率为负，Jc>Jcr'时，发生基区扩展效应2.缓变基区晶体管的有效基区扩展效 EE(x)DJcr)0

JJ[120(VDVc)]qNW[120] qNW JJqvD20VTcqWc因Jc>Jcr'开始有效基区扩展，故Jcr'被称为平面管强场下2.缓变基区晶体管的有效基区扩展效 qv[20cDq(W]c

cJ cJ cbbW'WW[1( D)21 JJcWcibWc[1 cr)21Jqv JcqvslNDJWcibWc[1 D)22.缓变基区晶体管的有效基区扩展效 强场时，载流子达到极限漂移速度，电流增大，载流子Jc=Jcr=qNDvsl时，载流子电荷恰好中和集电区电荷，正4.32.缓变基区晶体管的有效基区扩展效 4.32.缓变基区晶体管的有效基区扩展效 如果Jc=Jcr=qvslND(NA)时，cb结势垒区场强小于10 随着Jc增大，势垒区保持均匀电场向衬底收缩，同时均匀的电场强度增大，发生缓变基区晶体管弱场下的有效4.32.缓变基区晶体管的有效基区扩展效 当n=Ncnn q0而)所以，当n=Nc时，弱场下，电场区将保持n=Nc4.32.缓变基区晶体管的有效基区扩展效 有多余部分n积累在电场区边界做为负电荷层以维持电外加电压不变，电场分布曲线包围面积不变，E(x)曲线4.32.缓变基区晶体管的有效基区扩展效 JW WcJ n

cW当JJ''时，感应基区宽度为W cW

c

Wcib

qn0

VcJ JW WW'WW

qn0

VcJ J 4.32 m2 m1.均匀基区：有

c即有扩展，Jc

时 1缓变强场

J

)2]时，开始扩展

J W Wc

缓变弱场：J

crqvnc

时，开始扩展

JJ由于nc的变化，改变了空间电荷区电场和电荷分布，出现有效基区扩4.44.44.4发射极电流集边效发射极峰值电流密发射极平均电流密概定计4.41.发射极电流分IIII0eqVIIeIq0I0kT1e1eIe由于p-n结电流与结电压的指数关系，发射结偏压越高，发射极边缘处的电流较中间部位的电流越4.41.发射极电流分

图4-134.42.发射极有效宽发射极条宽为发射极有效宽度，记为2Seff。Seff称2.发射极有效宽2.发射极有效宽

dV(ydV(y)drI(y)bBbLI(y) (y)B rb的自偏IB(y)JE(y)LedyIB(y)dIBJc(y)dJBdJBJEyJCy1JEJyEEeJyEEeqVEyJEqVy V(y VE(y)——沿Y方向eb结上电压分V 0EEeqVE0 yEEeqVEyEE2.发射极有效宽ddV2bWJEqVyE1bJEqVE式b1bWbJEeqVyb1JE]VVy;y

VEVE(y)qq ]2(1)J 1Wb(kT

2.发射极有效宽V

y

0;ySeffVy

kT bS bSq]12bE发射极峰值电流密JEP2.718JEE发射极平均电流密度： E

kT

dV qVqVqEV(Seff)V qE2.发射极有效宽当发射极宽度大于有效宽度时，可认为中心附近区上述讨论以y=0为坐标原点，但Seff是从发射极边缘向中算的。3.发射极有效长 作用：类似于基极电阻自偏压效应，但沿Z方向，后,按定义求出。4.基极电阻的变的假设不再成立。由于集边效应，使得与Ie复合的发射极中心到边缘处的横向压降为kT/q时所对应的发射极条宽为发射极有效宽 Wb1b1JE0发射极电流分发射区有效宽发射极有效长基极电阻的变概念JJLEAS上式中JC为保证不发生基区扩展效应或基区大注入效应在设计晶体管时应按较小的电流密度做为计算依 JJ1.5qDnbNBWbJ1.5qDnbNBWb nb(0)Wb n]xpbb JcrqvslNBJJ qv[NC20VTcqWcJJ

JJJ Nc在功率晶体管中，常常会遇到“改善大电流特性”的问题。所谓改善大电流特性，就是指设法将或开始下降的电流提高一些，或ICM对于图形确定的晶体管，改善大电流特性主要是提高发射极单周长电流容量(即提高线电流密度)，可以考虑的途①外延层电阻率选得低一些，外延层厚度尽可能小些②直流放大系数0或fT尽量做得大些③在允许的范围内适当提高集电结的偏压及降低内基区方块电阻其中①、②两项可调整的范围大些，但第①项又受击穿电压指标的限制，第②项受成品率等的限制，也不能做得太高；考虑到发射结扩散及发射结击穿电压，内基区方块电阻又不能做得太小，所以提高线电流密度的限度也是有限的。如实在满足不了要求，只发射极单位周长电流容量——线电流密度定义单位发射极周长上的电流为线电流区电导调制效应限制的最大发射极电流密度改善大电流特性，就是指设法将0或fT开始下降的电流提高最大耗散功率是从热学角度限制晶体管最大输出功率的参数。这是设计、制造大功率晶体管必须考虑的重要晶体管具有功率放大作用，并不是说它本身产生能量，晶体管只是把电源的能量转换成输出信号的能量，使输出信号功率Po比输入信号功率Pi大Kp倍(Kp＝Po/Pi)换过程中晶体管本身还要消耗一定的功率PcPoPoPo 晶体管最大耗散功率晶体

cb结反故晶体在集电RTRTTjPC

如果晶体管耗散功率所转换热量大于单位时间所能散发出的热量，多余的热量将使结温j升高Q＝K(TJ一TA)，K为平均热PPQKTT1TTCjARjAT晶体管最大耗散功率热热电路RV12I热路电路RV12I热路 TjATPc对片状材料：RLL Tt晶体管热阻包括Si片、Au—Sb片、Mo片及铜管

等构成的内热阻，以及外接触热阻及散热片热阻总热阻应为各部分热阻串联之总和晶体管最大耗散功率CPTjC

TA

P(TP(T)CTjMTA 当环境温度为T时转换效率：转换效率：Po PoRTTjPC电路RV1I热路RTTjPc对片状材料：RLL TtPPTjCRTRT 电流集中二次击雪崩注入二次击区 1.二次击穿偏继续升高，电流Ic偏继续升高，电流Ic增大到某—值后,cb结上压降突然降低而Ic却继续上升，即出现负阻效应(如图4—21)， 1.二次击穿二次击穿触发电流ISB与二次击穿触发电压VSB晶体管在Ib＞0、Ib＝0、Ib＜0条件下反偏二次击穿

图4-21 1.二次击穿二次击穿临界(图4-22)。间隔。这段时间称为二次击穿触发时在td时间内，消耗在晶体管中的能ESB0

次击穿触发能量

图4-22显然，ESB（或二次击穿触发功率PSB)越大，发生二次击穿越，该晶体管抗二次击穿能力越强。因此，ESB也 1.二次击穿分析整个二次击穿过程，大致可以分为如下四个阶段 2.二次击穿的特点及实验结果分析二次击穿现象，发现有如下显著持点经过大量实验结果分析，发现二次击穿具有如下4.7二次击穿 2.二次击穿的特点及实验结果二次击穿临界(触发)电流ISB与临界[触发)电压VSB不是相互独立的，而是满足关系式ISB∝VSB-m。其中m与晶体管种类 Kf 式中，Kf为晶体管常数，mf为相关指数,其数值介于0.5～1之间。PSB不仅与fT有关，还与测量脉宽有关。在fT相同时，脉宽越窄，PSB越高。如图4-23所示。4.7二次击穿 2.二次击穿的特点及实验结果图4-23PSB与fT测量脉宽的关4.7二次击穿 2.二次击穿的特点及实验结果某锗功率管的实验曲线。由图可见。基区电阻越大，PSB越低。图4-24PSB与rb、b的关系(Ge晶体管4.7二次击穿 2.二次击穿的特点及实验结果一般说来电流放大系数较大的晶体管其PSB较低在＜0时，二次击穿触发能量还与外延层厚度有关。随着外延层厚度的增加PSAS4.7二次击穿 2.二次击穿的特点及实验结果图4-25PSB与外延层厚度及环境温度的关4.7二次击穿 2.二次击穿的特点及实验结果较大，这使得杂质分布的不均匀性及缺陷数目均有所增加，致使PSB相对减小发生二次击穿时整个晶体管无明显的温升4.7二次击穿 3.二次击穿原因分析及改善措 这种击穿是由于晶体管内部出现电流局部集中，形成“过热点”，导致该处发生局部热击穿的结果。这一理

（二）雪崩注入二次击集电结内的电场分布及雪区随Ic变化，倍增多子反向注4.7二次击穿 3.二次击穿原因分析及改善措施 (1.)机理分析(2导致电流局部集中的原(3改善及预防措4.7二次击穿 3.二次击穿原因分析及改善措 电流局电流局部集局部结温升电流随结温急剧增形成形成过热集电结耗尽层本征导局部达到本征温VceVce下降流急剧上温度，永久破电流温度，永久破4.7二次击穿 3.二次击穿原因分析及改善措 Ib＞0时的二次击穿就属于此种。对Ib＞0时发生度超过了半导体的产生局部熔化，冷却后再结晶所致。所以二次击穿后，晶体管往往发生4.7二次击穿 3.二次击穿原因分析及改善措 (2.)导致电流局部集中的大电流下Ie的高度集边电流增大 4.7二次击穿 3.二次击穿原因分析及改善措 (3.)改善及预防措主要目的是改善电流分配的不均匀性。可以考虑的措施有降低rb，以改善发射极电流集边效应的影响相同时，采用单晶片做的功率晶体管较采用外延片做的器件的PSB大1-2倍，这是因为外延片缺陷较单晶片多的缘故采用发射极镇流电阻。这是解决正偏二次击穿的一个有效方法。4.7二次击穿 3.二次击穿原因分析及改善措 (3.)改善及预防措对梳状结构电极，在每一单元发射极条上加串联电阻REi，(如图4-27)如果由于热不稳定,在某点电流集中，该点所处单元电流的增加使得串联在该单元上的REi4.7二次击穿 3.二次击穿原因分析及改善措 (3.)改善及预防当发射结结温变化为±5K时，镇4.7二次击穿 3.二次击穿原因分析及改善措 (3.)改善及预防4.7二次击穿 3.二次击穿原因分析及改善措 (3.)改善及预防3.二次击穿原因分析及3.二次击穿原因分析及改善这种二次击穿是由集电结内的电场分布及雪倍增区随Ic变化，倍增多子反向注入势垒区二、雪崩注入二次(1.)机理分

4.7二次击穿 3.二次击穿原因分析及改善措 Vce增Vce增大一次雪崩击VceVce>BVceon>Nc最大场n=Nc,电场均匀雪崩空穴流过 区,中和电

VceVce下降，电流急剧上雪崩注入二次击4.7二次击穿 3.二次击穿原因分析及改善措施 线电流电流:Jc=Jco=qvslNc或电压当x=0处达到EM时，发生雪崩使n→Nc，若没有VSB维持Wc内的则不能维持雪崩（为强场下的有效基区扩展）。若VSB能使Wc内保持，则维持雪崩，并发生电场分布的转移因此，这种击穿与外延层厚度密切相关。为避免发生此种击穿，）4.7二次击穿 3.二次击穿原因分析及改善措施 图4-34雪崩注入二次击穿临界

图4-324.7二次击穿 3.