半導(dǎo)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(lián)電阻RB 一、基區(qū)串聯(lián)電阻RB的組成特點(diǎn) 1、基區(qū)串聯(lián)電阻RB的組成如果把基極電流 IB 從基極引線經(jīng)非工作基區(qū)流到工作基區(qū)所產(chǎn)生的電壓降，當(dāng)作是由一個(gè)電阻產(chǎn)生的，則稱這個(gè)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(shù)值相當(dāng)可觀，對(duì)晶體管的特性會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。 基極電阻 rB 大致由下面四部分串聯(lián)構(gòu)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(lián)電阻RB的特點(diǎn) (1) 對(duì)多子電流IB呈現(xiàn)的電阻（基極電流為多子電流）； (2) 實(shí)際基區(qū)串聯(lián)電阻RB由四部分組成； (3) 多子電流IB流動(dòng)方向上的截面積很小導(dǎo)致RB1較大； (4) RB3 和RB1是“分布電阻”不能采用常規(guī)的電阻計(jì)算公式。 注：流過普通電阻的電流時(shí)均勻的，而流過基極電阻的電流是不均勻的，產(chǎn)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(lián)電阻RB的影響1、由基區(qū)自偏壓效應(yīng)導(dǎo)致的電流集邊效應(yīng) 晶體管工作在大電流狀態(tài)時(shí)，較大的基極電流流過基極電阻，將在基區(qū)中產(chǎn)生較大的橫向壓降，使發(fā)射結(jié)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(chǎn)生發(fā)射極電流集邊效應(yīng)（也稱為基區(qū)電阻自偏壓效應(yīng)）。2、使輸入阻抗增大3、在線路應(yīng)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(jì)算 對(duì)于均勻材料， 對(duì)于沿厚度方向 ( x 方向 ) 不均勻的材料11LRLWWWq NW口0011ddWWRxqN x口 對(duì)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(gè)數(shù)，即(LLRRRWdd口口方塊個(gè)數(shù)） 四、降低RB的措施 1、增大基區(qū)摻雜濃度（適當(dāng)） 2、增大基區(qū)寬度（適當(dāng)） 注： 以上兩個(gè)措施會(huì)降低電流增益，降低發(fā)射結(jié)擊穿電壓，提高發(fā)射結(jié)勢(shì)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(jié)構(gòu)42 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)與晶體發(fā)射極電流集邊效應(yīng)與晶體管圖形設(shè)計(jì)管圖形設(shè)計(jì) 一、發(fā)射極電流集邊效應(yīng)1、基區(qū)自偏壓效應(yīng) (1) 考慮基區(qū)電阻的EB結(jié)等效電路(2) 基區(qū)自偏壓 晶體管工作在大電流狀態(tài)時(shí)，較大的基極電流流過基極電阻，將在基區(qū)中產(chǎn)生較大的橫向壓降，使發(fā)射結(jié)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(yīng)（也稱為發(fā)射極電流集邊效應(yīng)）。(3) EB結(jié)面上的實(shí)際偏置電壓（VBE）J 外加在BE電極上偏壓（VBE）A， 實(shí)際落在BE結(jié)上的電壓（VBE）J 則： （VB

5、E）A （VBE）J ； BE 結(jié)上不同位置，（VBE）J不同。 注：由于發(fā)射區(qū)重?fù)诫s，可認(rèn)為是等電位的。 2、發(fā)射極電流集邊效應(yīng)(1) 發(fā)射極電流集邊效應(yīng) 晶體管工作在大電流狀態(tài)時(shí)，較大的基極電流流過基極電阻，將在基區(qū)中產(chǎn)生較大的橫向壓降，使發(fā)射結(jié)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(yīng)。(2) 電流集邊效應(yīng)的影響 發(fā)射區(qū)邊緣處電流密度較大，易導(dǎo)致局部過熱； 發(fā)射區(qū)邊緣處電流密度較大，易導(dǎo)致局部大注入效應(yīng)； 發(fā)射極電流不均勻，會(huì)導(dǎo)致發(fā)射區(qū)下方的橫向基極電流不 均勻，故研究實(shí)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(shè)計(jì)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(diǎn) 由于電流集邊效應(yīng)，發(fā)射極邊上的電流密度將大于發(fā)射結(jié)上的平均電流密度，由大注入而產(chǎn)生的基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)將首先在邊界上發(fā)生。為防止基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)，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(shí)用數(shù)據(jù)) 線性放大應(yīng)用 ICMI 0.05mA/um 功率放大應(yīng)用 ICMI 0.04mA/um 開關(guān)應(yīng)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(duì)比晶體管的對(duì)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(jié)溫 當(dāng)晶體管工作時(shí)，電流流過發(fā)射結(jié)、集電結(jié)和體串聯(lián)電阻都會(huì)產(chǎn)生功率耗散，因此總耗散功率： 正常工作狀態(tài)下，發(fā)射結(jié)正偏電壓VBE遠(yuǎn)小于集電結(jié)反壓VCB，體串聯(lián)電阻rCs也很小，因此晶體管的功率主要耗散在集電結(jié)上， 耗散功率轉(zhuǎn)化為熱量，使集電結(jié)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(jié)溫：耗散功率轉(zhuǎn)化為熱量，將使集電結(jié)溫度升高，本征載流子濃度隨溫度的升高而增大，當(dāng)半導(dǎo)體中的本征載流子濃度接近其摻雜濃度時(shí)，使得

8、器件無法正常工作，此時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度為最高結(jié)溫Tjm。OODOCPPPPP1OCPP 2、晶體管熱阻 耗散功率轉(zhuǎn)化為熱量，將使結(jié)溫度升高。當(dāng)結(jié)溫Tjm高于環(huán)境溫度時(shí)，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(dāng)結(jié)溫上升到耗散功率能全部變成散發(fā)的熱量時(shí)，結(jié)溫不再上升，晶體管處于熱動(dòng)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(jié)溫就愈高。 在熱穩(wěn)定狀態(tài)下，單位時(shí)間內(nèi)由耗散功率轉(zhuǎn)換出的熱量等于向外散發(fā)的熱量。在限定結(jié)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(diǎn)間的溫差與其熱流之比，稱為兩點(diǎn)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(shí)耗散功率產(chǎn)生的熱量全部通過熱流進(jìn)行散發(fā)。 d：材料厚度 K：熱導(dǎo)率 A：面積 熱阻同電阻一樣可串聯(lián)：(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(guān)和脈沖電路中，晶體管功率都是隨著時(shí)間變化的，結(jié)溫和管殼溫度也隨時(shí)間變化，熱阻變成隨時(shí)間變化的瞬態(tài)熱阻： CT：熱容3、最大耗散功率：設(shè)環(huán)境溫度Ta，最高結(jié)溫Tjm，則穩(wěn)態(tài)時(shí)，晶體管的最大耗散功率瞬態(tài)時(shí)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(shí)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(shí)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(jié)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(gè)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(kuò)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