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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