雙極型晶體管的功率特性課件

1、第四章雙極型晶體管的功率特性半導體器件物理Physics of Semiconductor Devices本章內(nèi)容基區(qū)大注入效應(yīng)對電流放大系數(shù)的影響基區(qū)擴展效應(yīng)發(fā)射極電流集邊效應(yīng)發(fā)射極單位周長電流容量晶體管最大耗散功率二次擊穿和安全工作區(qū)基區(qū)大注入效應(yīng) 雙極型晶體管的功率特性當注入基區(qū)的少數(shù)載流子濃度接近或超過基區(qū)的多數(shù)載流子濃度時，即為大注入 。4.1 基區(qū)大注入效應(yīng)對電流放大系數(shù)的影響雙極型晶體管的功率特性在大注入自建電場的作用下，載流子在基區(qū)內(nèi)除存在擴散運動外還存在漂移運動，因而基區(qū)電子和空穴電流等于漂移電流與擴散電流之和，即4.1.1 大注入下基區(qū)少數(shù)載流子分布4.1.1.1 大注入自

2、建電場 當空穴的擴散電流等于漂移電流時，達到動態(tài)平衡。因而穩(wěn)定時，基區(qū)內(nèi)的凈空穴電流 由此可得，基區(qū)大注入自建電場 當注入較大時，基區(qū)中的多數(shù)載流空穴濃度 將此代入上式雙極型晶體管的功率特性表示由基區(qū)雜質(zhì)分布梯度產(chǎn)生的自建電場， 雙極型晶體管的功率特性4.1.1.2大注入下基區(qū)少子分布及電流特性 由于在大注入情況下，基區(qū)內(nèi)存在大注入自建電場，因而不論是均勻基區(qū)還是緩變基區(qū)晶體管，基區(qū)電子電流都應(yīng)包括漂移和擴散兩個分量?？傻没鶇^(qū)電子電流均勻基區(qū)晶體管，基區(qū)雜質(zhì)為均勻分布， 因此，基區(qū)電子電流若忽略基區(qū)復合，則，且,可認為基區(qū)電子線性分布。雙極型晶體管的功率特性即,為基區(qū)邊界x = 0處電子濃度。

3、 ，所以，上式變?yōu)?與小注入相比，相當于擴散系數(shù)增大一倍。又由于大注入下， 雙極型晶體管的功率特性對于緩變基區(qū)晶體管，當忽略基區(qū)復合時，如果基區(qū)雜質(zhì)按指數(shù)分布 ，將此關(guān)系代入上式可得等式兩端同乘 并經(jīng)整理后可得雙極型晶體管的功率特性在大注入情況下，上式又可簡化為或為對上式由積分，并利用處的邊界條件，可解得雙極型晶體管的功率特性稍加變換當發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子電流密度很大時，有 上式中右端第二項可以忽略，則有 此式表明基區(qū)電子濃度分布為線性分布，也就是說，在發(fā)射極電流密度很大情況下，基區(qū)電子濃度分布與雜質(zhì)分布情況無關(guān)。而通過第二章內(nèi)容可以知道，小注入情況下，當比較以上兩式可見，在相同的電流密度下

4、，大注入基區(qū)電子濃度梯度是小注入的一半，這說明大注入條件下，擴散電流和漂移電流近似相等，各占總電流的一半。這漂移電流是由于大注入自建電場所產(chǎn)生的。雙極型晶體管的功率特性雙極型晶體管的功率特性雙極型晶體管的功率特性4.1.2 基區(qū)電導調(diào)制效應(yīng)4.1.3 基區(qū)大注入對電流放大系數(shù)的影響小注入均勻基區(qū)晶體管電流增益表達式為 右邊第一項為小注入時的發(fā)射效率項，在大注入下由于基區(qū)電導調(diào)制效應(yīng)，使基區(qū)電阻率發(fā)射變化，致使發(fā)射效率項變?yōu)?雙極型晶體管的功率特性大注入下 可得大注入下體內(nèi)復合項大注入下基區(qū)表面復合電流 雙極型晶體管的功率特性得大注入下基區(qū)表面復合項 則得大注入下電流增益表達式這里用基區(qū)邊界的注

5、入電子濃度近似代表整個基區(qū)內(nèi)的注入電子濃度。若注入水平大到時，上式中第2、3項 內(nèi)的數(shù)值趨向1/2；其物理意義表明大注入下體內(nèi)復合及表面復合較小注入減少一半。其原因是由于大注入自建電場的存在，使得電子穿越基區(qū)的時間縮短一半，復合幾率下降，0上升。上式中第一項為發(fā)射功率項，是發(fā)射效率0的倒數(shù)。從公式中可以看出，隨著注入水平的增大，0將下降，從而導致0下降。這是由于基區(qū)電導調(diào)制效應(yīng)的影響。雙極型晶體管的功率特性雙極型晶體管的功率特性4.1.4 大注入對基區(qū)渡越時間的影響雙極型晶體管的功率特性4.2 基區(qū)擴展效應(yīng)4.2.1 注入電流對集電結(jié)空間電荷區(qū)電場分布的影響雙極型晶體管的功率特性4.2.1.1

6、 強場情況 當勢壘區(qū)的場強 時，稱為強場，此時載流子已達極限漂移速度。 代入式并積分，可得 設(shè)通過集電結(jié)的電流全部為電子漂移電流，則雙極型晶體管的功率特性雙極型晶體管的功率特性4.2.1.2 弱場情況雙極型晶體管的功率特性4.2.2 基區(qū)擴展效應(yīng)4.2.2.1 強場下基區(qū)的縱向擴展將上式在范圍內(nèi)積分，則得 利用強場基區(qū)擴展臨界電流密度式中，即等于集電區(qū)摻雜濃度,可見臨界電流密度由集電區(qū)摻雜濃度、厚度和外加偏置電壓共同決定。實際晶體管的往往由決定。雙極型晶體管的功率特性，基區(qū)已經(jīng)擴展，若把擴展的基區(qū)稱為感應(yīng)基區(qū)，則空間電荷區(qū)寬度為，故此的表達式與類似，所不同的是僅是空間電荷區(qū)寬度不同。 經(jīng)整理后

7、，可得感應(yīng)基區(qū)寬度 當注入電流時，基區(qū)在N區(qū)擴展的寬度隨著的增加而展寬。 雙極型晶體管的功率特性 4.2.2.2 弱場下基區(qū)的縱向擴展弱場下發(fā)生基區(qū)擴展效應(yīng)的臨界電流密度 弱場下，當，空間電荷區(qū)仍然保持均勻不變，此時集電極電流密度 可得弱場下基區(qū)擴展寬度 雙極型晶體管的功率特性4.3 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)4.3.1 發(fā)射極電流的分布雙極型晶體管的功率特性4.3.2 發(fā)射極有效條寬雙極型晶體管的功率特性4.3.3 發(fā)射極有效長度雙極型晶體管的功率特性4.4 發(fā)射極單位周長電流容量4.4.1 集電極最大允許工作電流4.4.2 線電流密度4.5 晶體管最大耗散功率4.5.1 耗散功率和最高結(jié)溫4.5.2 熱阻4.5.3 晶體管的最大耗散功率雙極型晶體管的功率特性4.6 二次擊穿和安全