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文檔簡介
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
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