半導體器件物理-雙極型晶體管功率特性

1、雙極晶體管的功率特性游海龍41 基區(qū)串聯電阻RB 一、基區(qū)串聯電阻RB的組成特點 1、基區(qū)串聯電阻RB的組成如果把基極電流 IB 從基極引線經非工作基區(qū)流到工作基區(qū)所產生的電壓降，當作是由一個電阻產生的，則稱這個電阻為基極電阻基極電阻，用 rB 表示。由于基區(qū)很薄，rB 的截面積很小，使 rB 的數值相當可觀，對晶體管的特性會產生明顯的影響。 基極電阻 rB 大致由下面四部分串聯構成： ( 1 ) 基極金屬電極與基區(qū)的歐姆接觸電阻 rcon ( 2 ) 基極接觸處到基極接觸孔邊緣的電阻 rB3 ( 3 ) 基極接觸孔邊緣到工作基區(qū)邊緣的電阻 rB2 ( 4 ) 工作基區(qū)的電阻（發(fā)射極正下方）

2、rB1 所以： con321BBBBrrrrr 2、基區(qū)串聯電阻RB的特點 (1) 對多子電流IB呈現的電阻（基極電流為多子電流）； (2) 實際基區(qū)串聯電阻RB由四部分組成； (3) 多子電流IB流動方向上的截面積很小導致RB1較大； (4) RB3 和RB1是“分布電阻”不能采用常規(guī)的電阻計算公式。 注：流過普通電阻的電流時均勻的，而流過基極電阻的電流是不均勻的，產生的壓降也不均勻，因而基區(qū)電阻一般采用平均電壓法或平均功率法。 二、基區(qū)串聯電阻RB的影響1、由基區(qū)自偏壓效應導致的電流集邊效應 晶體管工作在大電流狀態(tài)時，較大的基極電流流過基極電阻，將在基區(qū)中產生較大的橫向壓降，使發(fā)射結的正向

3、偏置電壓從邊緣到中心逐漸減小，發(fā)射極電流密度則由中心到邊緣逐漸增大，由此而產生發(fā)射極電流集邊效應（也稱為基區(qū)電阻自偏壓效應）。2、使輸入阻抗增大3、在線路應用中形成反饋（影響晶體管的功率特性和頻率特性） 三、方塊電阻的計算 對于均勻材料， 對于沿厚度方向 ( x 方向 ) 不均勻的材料11LRLWWWq NW口0011ddWWRxqN x口 對于矩形的薄層材料，總電阻就是 R口 乘以電流方向上的方塊個數，即(LLRRRWdd口口方塊個數） 四、降低RB的措施 1、增大基區(qū)摻雜濃度（適當） 2、增大基區(qū)寬度（適當） 注： 以上兩個措施會降低電流增益，降低發(fā)射結擊穿電壓，提高發(fā)射結勢壘電容 3、減

4、小電極條的寬度以及電極條之間的間距（取決于光刻工藝水平） 4、采用雙基極條結構42 發(fā)射極電流集邊效應與晶體發(fā)射極電流集邊效應與晶體管圖形設計管圖形設計 一、發(fā)射極電流集邊效應1、基區(qū)自偏壓效應 (1) 考慮基區(qū)電阻的EB結等效電路(2) 基區(qū)自偏壓 晶體管工作在大電流狀態(tài)時，較大的基極電流流過基極電阻，將在基區(qū)中產生較大的橫向壓降，使發(fā)射結的正向偏置電壓從邊緣到中心逐漸減小，發(fā)射極電流密度則由中心到邊緣逐漸增大，稱為基區(qū)電阻自偏壓效應（也稱為發(fā)射極電流集邊效應）。(3) EB結面上的實際偏置電壓（VBE）J 外加在BE電極上偏壓（VBE）A， 實際落在BE結上的電壓（VBE）J 則： （VB

5、E）A （VBE）J ； BE 結上不同位置，（VBE）J不同。 注：由于發(fā)射區(qū)重摻雜，可認為是等電位的。 2、發(fā)射極電流集邊效應(1) 發(fā)射極電流集邊效應 晶體管工作在大電流狀態(tài)時，較大的基極電流流過基極電阻，將在基區(qū)中產生較大的橫向壓降，使發(fā)射結的正向偏置電壓從邊緣到中心逐漸減小，發(fā)射極電流密度則由中心到邊緣逐漸增大，稱為發(fā)射極電流集邊效應。(2) 電流集邊效應的影響 發(fā)射區(qū)邊緣處電流密度較大，易導致局部過熱； 發(fā)射區(qū)邊緣處電流密度較大，易導致局部大注入效應； 發(fā)射極電流不均勻，會導致發(fā)射區(qū)下方的橫向基極電流不 均勻，故研究實際的橫向電壓降隨距離的變化需用二維分析。 二、晶體管發(fā)射區(qū)設計1

6、、單位發(fā)射區(qū)條長允許的最大電流(1) 考慮問題的出發(fā)點 由于電流集邊效應，發(fā)射極邊上的電流密度將大于發(fā)射結上的平均電流密度，由大注入而產生的基區(qū)擴展效應將首先在邊界上發(fā)生。為防止基區(qū)擴展效應，需合理選取發(fā)射條周界上的電流容量。 (2) 單位發(fā)射區(qū)條長允許的最大電流(工程實用數據) 線性放大應用 ICMI 0.05mA/um 功率放大應用 ICMI 0.04mA/um 開關應用 ICMI 0）、反偏（IB n2 n1 4）加入嵌位二極管，使BVdiode BVCBO肖特基箝位肖特基箝位BJT與與NPN晶體管的對比晶體管的對比NPN晶體管晶體管肖特基箝位晶體管肖特基箝位晶體管二、晶體管的最大功耗與

7、熱阻 1、晶體管功耗與結溫 當晶體管工作時，電流流過發(fā)射結、集電結和體串聯電阻都會產生功率耗散，因此總耗散功率： 正常工作狀態(tài)下，發(fā)射結正偏電壓VBE遠小于集電結反壓VCB，體串聯電阻rCs也很小，因此晶體管的功率主要耗散在集電結上， 耗散功率轉化為熱量，使集電結成為晶體管的發(fā)熱中心。2*cEBECCBCCsPIVIVIr*cCCBPIV 若直流電源提供給晶體管的功率為PD，則輸出功率PO=PD-PC，效率： 顯然電路的輸出功率PO受晶體管本身耗散功率PC限制。 最高結溫：耗散功率轉化為熱量，將使集電結溫度升高，本征載流子濃度隨溫度的升高而增大，當半導體中的本征載流子濃度接近其摻雜濃度時，使得

8、器件無法正常工作，此時對應的溫度為最高結溫Tjm。OODOCPPPPP1OCPP 2、晶體管熱阻 耗散功率轉化為熱量，將使結溫度升高。當結溫Tjm高于環(huán)境溫度時，熱量就靠溫差由管芯通過管殼向外散發(fā)。散發(fā)出的熱量則隨著溫差的增大而增加。當結溫上升到耗散功率能全部變成散發(fā)的熱量時，結溫不再上升，晶體管處于熱動態(tài)平衡狀態(tài)。 在散發(fā)條件一定的情況下，耗散功率PC愈大，結溫就愈高。 在熱穩(wěn)定狀態(tài)下，單位時間內由耗散功率轉換出的熱量等于向外散發(fā)的熱量。在限定結溫下，晶體管所能承受的耗散功率由晶體管的散熱能力決定。一般用熱阻來表示晶體管散熱能力的大小。 任意兩點間的溫差與其熱流之比，稱為兩點間的熱阻。(1)

9、 穩(wěn)態(tài)熱阻：熱穩(wěn)定狀態(tài)下的熱阻，此時耗散功率產生的熱量全部通過熱流進行散發(fā)。 d：材料厚度 K：熱導率 A：面積 熱阻同電阻一樣可串聯：(2)瞬態(tài)熱阻：在穩(wěn)定狀態(tài)下，晶體管的耗散功率恒定不變，但在開關和脈沖電路中，晶體管功率都是隨著時間變化的，結溫和管殼溫度也隨時間變化，熱阻變成隨時間變化的瞬態(tài)熱阻： CT：熱容3、最大耗散功率：設環(huán)境溫度Ta，最高結溫Tjm，則穩(wěn)態(tài)時，晶體管的最大耗散功率瞬態(tài)時TdRKATdRKA總TT-tC RTSTRR 1 e（ -）jmaCMTTTPRTTjmajmaCMS-tTSC RTTTTTPRR 1 e（ -） 可以看出PCMSPCM，在脈沖工作狀態(tài)下，器件的耗散功率大于直流工作時的耗散功率。一般給定Ta=25的耗散功率，則環(huán)境溫度為T時的耗散功率可以寫為： 4、提高PCM的措施 (1) 降低熱阻RT 加散熱器、減薄襯底厚度 (2) 提高最高結溫 (3) 降低使用環(huán)境問題ajmCM(T)CM(T )jmaTTPPTT 三、安全工作區(qū) 指晶體管能安全、可靠的工作，并具有較長壽命的工作范圍。1、確定安全工作區(qū)的四個制約條件 (1) ：最大集電極電流 (2) BVCEO：極限電壓 (3) ：二次擊穿臨界線 (4) PCM ：最大功耗2、安全工作區(qū)1）要擴大安全工作區(qū)，首先必須努力 做到使安全區(qū)由最大集電極電流、最 高