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1、电子器件基础电子器件基础湖南大学电子科学与技术专业1第5章 晶体管功率特性 第1节 基区电导调制效应第2节 有效基区扩展效应 第3节 发射极电流集边效应第4节 晶体管最大耗散功率第5节 晶体管二次击穿和安全工作区电子器件基础晶体管功率特性2掌握双极型晶体管大注入效应、基区扩展效应和电流集边效应的本质和作用，最大耗散功率及其影响因素；理解二次击穿机理和安全工作区。 本章要求：电子器件基础晶体管功率特性3电子器件基础晶体管功率特性l功率晶体管：工作在高电压和大电流条件下 ，功率1W以上的晶体管；l晶体管功率特性：大功率条件下晶体管性能 的变化，小注入近似的假设不再成立，特别是 电流增益和特征频率随
2、电流增加而下降，用极 限参数描述；l极限参数：最高电压，最大电流，最大耗散 功率，二次击穿；l极限参数限制晶体管的安全工作区。4第1节 基区电导调制效应电子器件基础晶体管功率特性晶体管放大工作： VBE0 VBC0 VBC0 VBC npbpb= ppb+ nb ppb大注入：nb ppb nb npbpb= ppb+ nb ppb基区多子浓度大大增加，电阻率下降 基区电导调制。E （N ）C （N ）B （P）pbpbnbnbppbnpb小注入：VBE0 VBC0 VBC0 VBC0 VBC0 VBC NB）时： 无论均匀基区或缓变基区，由 大注入载流子浓度决定。12电子器件基础晶体管功率特
3、性大注入基区载流子分布大注入时基区电子电流密度：对均匀基区晶体管：忽略基区复合：边界条件 ： 13电子器件基础晶体管功率特性两边积分可求得： 小注入特大注入极端大注入情况下，基区少子浓度分布的斜率减少一半。取即基区少子线性分布时发射结边界处基区少子浓度。移项整理后得：14电子器件基础晶体管功率特性对缓变基区晶体管：基区少数载流子浓度的微分方程 ：设基区杂质分布为指数分布小注入微分方程为：解得：15电子器件基础晶体管功率特性大注入时，缓变基区与均匀基区具有相同结果。特大注入微分方程为：解得：16电子器件基础晶体管功率特性2 大注入对电流放大系数的影响共射低频电流放大系数：式中基区体复合电流：基区
4、载流子线性分布近似，取平均值：17电子器件基础晶体管功率特性表面复合电流： 小注入发射区注入基区的电子电流：大注入均匀基区晶体管：18电子器件基础晶体管功率特性发射区中发射结边界处少子浓度：基区注入发射区的空穴电流：取：代入：19电子器件基础晶体管功率特性小注入特大注入小注入大注入：注入n0v0复合项反注入项0两项作用互抵时，得到 0 的最大值 。 20电子器件基础晶体管功率特性求导可得 0 出现极大值时 ： 时，复合项起主要作用，0 随注入增大而上升； 时，反注入项起主要作用，0随注入增大而下降 。 大注入时：随工作电流增大，0 线性下降由于：21电子器件基础晶体管功率特性3 大注入对基区渡
5、越时间的影响载流子基区渡越时间 ：均匀基区晶体管小注入时：基区渡越时间：22电子器件基础晶体管功率特性大注入时，均匀基区和缓变基区均为：基区渡越时间：l 大注入自建电场的作用，加速注入载流子的运动，相 当于扩散系数增加一倍； l 大注入时均匀基区和缓变基区的载流子分布由大注入 决定，与原基区杂质分布无关，基区电场由大注入电场 决定，载流子基区渡越时间相同。23电子器件基础晶体管功率特性取临界大注入：临界大注入电流密度大注入判据：基区载流子线性分布近似，取平均值：时发生大注入现象，即当4 大注入临界电流密度24电子器件基础晶体管功率特性第2节 有效基区扩展效应(Kirk效应)晶体管基区宽度随注入
6、增加而展宽，导致 晶体管电流放大系数和特征频率下降。1 注入电流对集电结电场 的影响 晶体管正常工作，发射结正偏，集电结反偏； 集电结势垒区一维泊松方程：NC：集电区杂质浓度nc：注入到集电结的电子浓度25电子器件基础晶体管功率特性当场强大于104V/cm时，载流子以极限饱和 漂移速度 S 运动；流过集电结的电流密度为电子漂移电流密度：代入一维泊松方程并求解得：注入增加，JC 增加，nc 增加， E(x) 变化。26电子器件基础晶体管功率特性小注入(ncNC，注入到集电结的电子超过正 空间电荷，N集电区变成负电荷区， 靠集电结(PN)处电场减小，最大电场 移到 NN+处，集电区电场分布发生变
7、化 -。31电子器件基础晶体管功率特性如在 JC = Jcr 时， 靠集电结(PN)处电 场下降到0 ()。 当 JC Jcr 时，负电荷区边界随注入 增加向N区收缩，原集电区的一部分 变成了基区，使有 效基区宽度增加为 Wb+Wb，发生基 区扩展。+N+PN+WcWbN_Ex Wb0Wc32电子器件基础晶体管功率特性2 基区扩展 Ex Wb0Jcr JC JcrPNN+Wc强场下基区扩展则：时场强大于ES=104V/cm，载流子 以极限饱和漂移速度 S 运动。33电子器件基础晶体管功率特性Ex Wb0Jcr JC JcrPNN+Wc对集电结势垒区从0WC积分 ，电压为VD+VCB不变，得：由
8、：基区扩展效应的临界电流密度：（一般主要由集电区掺杂浓度NC决定） 34电子器件基础晶体管功率特性当 JC Jcr 时发生基区扩展，负电荷区边界收缩到Wb 处，E(Wb ) = 0，此时有：可求出基区扩展宽度为：总有效基区宽度：35电子器件基础晶体管功率特性弱场下基区扩展，载流子运动速度 Jcr 时基区扩展Wb 弱场下Jcr更小，更容易产生基区扩展效应。 36电子器件基础晶体管功率特性基区扩展对晶体管特性的影响nx Wb +Wb0nb(x)PNN+WbnencQb晶体管放大工作，大注入 时，发射区注入基区大量 的电子； 基区积累电子电荷Qb， 发射结边界电子浓度ne， 集电结边界电子浓度nc。
9、37电子器件基础晶体管功率特性基区积累电子电荷的总量Qb为四边形的面积，如：InE IC =*电子渡越基区的时间：nx Wb +Wb0nb(x)PNN+WbnencQb38电子器件基础晶体管功率特性nC Wb b fT 、39电子器件基础晶体管功率特性第3节 发射极电流集边效应晶体管流过大电流时， 基极电流也较大；由于基区存在电阻，基 极电流横向流过基区时 产生压降自偏压；发射结各处的正偏电压 不一致，发射极中心的基区电位降低，发射结注入电流 分布不均匀；电流在发射极边缘处较大发射极电流集边效应。NPN+N+ebbSeIB/2IB/2LE40电子器件基础晶体管功率特性1 基区横向压降双基极晶体
10、管，发射区中 心为 y 坐标的 0 点，沿 y方向发射极电流分布为：而：NPN+N+ebb0y Se/2xIB/2IB/2Wbdy41电子器件基础晶体管功率特性基区平均电阻率为b， 基区小体积元的电阻：基区薄层电阻：Rb= b/WbNPN+N+ebb0y Se/2xIB/2IB/2Wbdy小体积元的横向压降：42电子器件基础晶体管功率特性是V(y)的二阶线性非齐次微分方程，边界条件为：注入电流 JE(0)大，基区电阻Rb大，条宽Se大(y大)，则基区横向压降V(y)大，发射极电流集边效应严重。 43电子器件基础晶体管功率特性2 发射极有效条宽减小基区横向压降和电流集边效应，要减小Se。规定：基
11、区横向压降变化KT/q(室温下0.026V)时的发射极 条宽为有效条宽Seff ，即V (Seff ) = KT/q，发射极边缘处电流：JEP=JE(Seff )=e JE(0)=2.718 JE(0)44电子器件基础晶体管功率特性3 发射极单位周长电流容量 双基极结构晶体管发射极总电流：45电子器件基础晶体管功率特性一般工程上经验选择：线性放大晶体管： I0 RT CT 时， RTS = RT。57电子器件基础晶体管功率特性CT 放热过程：t=0 时具有温差：瞬态热阻：t =0 和 t RT CT 时， RTS 0。 58电子器件基础晶体管功率特性脉冲工作时晶体管的结温变化59电子器件基础晶
12、体管功率特性3 晶体管最大耗散功率 稳态时 ：瞬态充热时 ：瞬态放热时 ：60电子器件基础晶体管功率特性一般给定环境温度（管壳温度)Ta=25，实际温度 T 时 ：耗散功率随使用温度的增高而下降。l 降低晶体管的热阻RT；l 选用最高结温Tjm高的材料；l 尽量降低使用温度，采用强迫风冷或水冷，降低 环境温度。 提高晶体管最大耗散功率的主要措施：61电子器件基础晶体管功率特性第5节 二次击穿和安全工作区1957年，Trornton和Simmons发现的“不可思议的现象”1 二次击穿现象 ICVCEPSBBVCEOABCD0IB=0二次击穿临界线VCE = BVCEO（A点），集电结雪崩击穿（一
13、次）， IC 上升到B点并经短暂停留，晶体管由高压小电流 状态迅速变为低压大电流 状态（D点），直到晶体管烧毁（二次击穿）。62电子器件基础晶体管功率特性l B点为二次击穿临界点 ，有临界电流 ISB，临界电 压VSB，则二次击穿触发功 率为：PSB = ISB VSB l 保持功率PSB一段时间tsd， 积累能量后发生二次击 穿， tsd为二次击穿延迟时间。 l 二次击穿触发能(二次击穿耐量)： ESB = PSB tsdB点停留时间在 tsd 内，可回到触发前状态；达到ESB 时，二次击穿几乎瞬时发生且不可逆。ICVCEPSBBVCEOABCD0IB=0二次击穿临界线63电子器件基础晶体管
14、功率特性l BC 负阻区不是稳定工作状态，电流将迅速 上升，C点电压为二次击穿后维持电压，一般 有：VC = 1015(V)。 l 对不同的偏置有 不同的IB，得到不 同的二次击穿曲线 。l 二次击穿触发点 的连线为二次击穿 临界线（二次击穿 功耗线）。ICVCEPSBBVCEOABCD0IB=0二次击穿临界线64电子器件基础晶体管功率特性2 二次击穿的机理和防止二次击穿的措施 热不稳定型理论l 二次击穿是局部温升与电流集中循环往复的结果；l 形成热斑，实验发现，热斑的直径只有10-3-10-2cm，电流密度高达104A/cm2；l 热斑的温度升高到半导体本征温度时，呈现本征导电，耗尽区消失，
15、直至达到材料熔点，产生熔融孔，造成 晶体管永久失效；l 循环和温升需要一定时间，触发延迟时间tsd 较长；65电子器件基础晶体管功率特性l 材料不均匀、结构缺陷和基极电阻等，引起电流分布 不均匀和局部温升，产生电流集中，引起二次击穿；l 大功率晶体管，在单元晶体管的发射极上加接镇流电 阻REi，利用发射极电阻的直流负反馈作用，将电流集中限制在一定的范围，有效的防止热不稳定二次击穿；l 镇流电阻越大，负反馈作用越强，稳流特性越好，但 功率损耗增加，电流放大倍数下降；l 一般工程上选择，当温度变化时，发射极电流的变化 限制在5%以内。66电子器件基础晶体管功率特性IE1 RE1RE2REiBCE在偏置电压不变，忽 略镇流电阻随温度的 变化时，有：67电子器件基础晶体管功率特性雪崩注入二次击穿l 硅n+pnn+外延平面晶体管 ，集电结空间电荷区的宽度 随着外加反压的增加而展宽 ；EcrEPNN+Wc0l PN结处最大电场达到雪崩临界场强Ecr时，晶体管一 次雪崩击穿，电流急剧上升；l当空间电荷区展宽到处延 层穿通后，空间电荷区的电 场随外加电压的增加而很快 上升，电场分布变化；68电子器件基础晶体管功率特性一次击穿后， nc迅速增加达到大注入，最大电场转 移，引起二次击穿，由高压小电流状态迅速过渡到低压 大电流状态，延迟时间tsd 很短。l 集电极电流达
