功率特性精品課件

1、功率特性第1頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一1 P-N結(jié)2 npn管直流特性3 頻率特性4 功率特性5 開關(guān)特性6，7結(jié)型和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管8 噪聲特性2第2頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一晶體管的輸出功率受： 集電極最大電流ICM 最大耗散功率PCM 二次擊穿特性（臨界功率） 最高耐壓BVcbo、BVceo的限制。第四章 雙極型晶體管的功率特性安全工作區(qū)本章將圍繞安全工作區(qū)的要求，討論大功率（大注入）下的直流特性3第3頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.1 集電極最大允許工作電流ICM晶體管電流放大系數(shù)與集

2、電極電流的關(guān)系見圖4-1。在大電流下，b0隨Ic增加而迅速減小，限制了晶體管最大工作電流。 晶體管的電流放大系數(shù)主要決定于g和b*，分析大電流下哪些特殊效應(yīng)使g和b*發(fā)生哪些變化。 為了衡量晶體管電流放大系數(shù)在大電流下的下降程度，特定義:共發(fā)射極直流短路電流放大系數(shù)b0下降到最大值b0M的一半(即boboM0.5)時(shí)所對(duì)應(yīng)的集電極電流為集電極最大工作電流，記為ICM4第4頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.2 基區(qū)大注入效應(yīng)對(duì)電流放大系數(shù)的影響b隨IC的增加而下降：發(fā)射效率g、基區(qū)輸運(yùn)b*、（勢(shì)壘、表面）復(fù)合基區(qū)大注入效應(yīng)有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)1.基區(qū)大注入下的電流2.基

3、區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)3.基區(qū)大注入對(duì)電流放大系數(shù)的影響均勻基區(qū)，緩變基區(qū)（強(qiáng)場(chǎng)、弱場(chǎng)）5第5頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.2 基區(qū)大注入效應(yīng)對(duì)電流放大系數(shù)的影響1.基區(qū)大注入下的電流（以n-p-n管為例）大注入時(shí)，大注入自建電場(chǎng)作用下通過n+-p結(jié)的電子電流密度為：對(duì)于均勻基區(qū)晶體管（1-48）6第6頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一（4-1）（4-2）與第二章小注入情況相比：由于大注入自建電場(chǎng)的漂移作用，同樣的注入邊界濃度下Dnb-2Dnb，JnE增大一倍；同樣的JnE，邊界濃度及梯度只需一半。與1.3中的結(jié)論一樣。7第7頁，共116頁，

4、2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一 對(duì)于緩變基區(qū)晶體管，基區(qū)內(nèi)已經(jīng)存在著由于雜質(zhì)分布不均勻而產(chǎn)生的緩變基區(qū)自建電場(chǎng)。在大注入情況下，注入的大量非平衡少子將改變這個(gè)電場(chǎng)。這個(gè)過程比較復(fù)雜，書中給出簡(jiǎn)單近似分析。得出結(jié)論：在發(fā)射極電流密度很大的情況下，基區(qū)電子濃度線性分布，且與雜質(zhì)分布情況無關(guān)（均勻基區(qū)和緩變基區(qū)一樣）。由于大注入下擴(kuò)散、漂移各半，電子濃度梯度只為小注入時(shí)的一半時(shí)即可維持與小注入下相當(dāng)?shù)碾娏髦?。僅僅是數(shù)學(xué)形式上得到的推論。8第8頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一a圖以電場(chǎng)因子h為參量，同圖2-13；b圖以d即Jne為qDnbNb(0)/Wb的倍數(shù)

5、為參量，表示注入水平（在h=8時(shí)）。9第9頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一結(jié)論：大注入對(duì)緩變基區(qū)晶體管基區(qū)電子及其電流密度的影響與對(duì)均勻基區(qū)晶體管的相似。 這是因?yàn)樵诖笞⑷霔l件下的緩變基區(qū)中，大注入自建電場(chǎng)對(duì)基區(qū)多子濃度梯度的要求與基區(qū)雜質(zhì)電離以后形成的多子濃度梯度方向是一致的，這時(shí)雜質(zhì)電離生成的多子不再象小注入時(shí)那樣向集電結(jié)方向擴(kuò)散并建立緩變基區(qū)自建電場(chǎng)，而是按照基區(qū)大注入自建電場(chǎng)的要求去重新分布。 因此，不同電場(chǎng)因子的緩變基區(qū)在大注入下有相同的電子濃度分布。可以說，在大注入情況下，大注入自建電場(chǎng)取代（掩蓋）了由于雜質(zhì)分布不均勻所形成的電場(chǎng)（緩變基區(qū)自建電場(chǎng)）。

6、10第10頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一在(大注入、緩變基區(qū))自建電場(chǎng)E作用下對(duì)多子空穴,動(dòng)態(tài)平衡時(shí),擴(kuò)散流等于漂移流,11第11頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一 第一項(xiàng)是緩變基區(qū)自建電場(chǎng)分量,隨注入水平提高(nb增大)而減小。對(duì)于均勻基區(qū)，此項(xiàng)自然為零。 第二項(xiàng)是大注入自建電場(chǎng)分量，隨注入水平提高(nb增大，梯度增大)而增大（并在nbNB時(shí)趨于常數(shù)）。 故，特大注入時(shí)，只有大注入自建電場(chǎng)起作用，而且其作用的極限是使基區(qū)少子分布梯度相當(dāng)于小注入時(shí)的一半。 12第12頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.2 基區(qū)

7、大注入效應(yīng)對(duì)電流放大系數(shù)的影響2. 基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)大注入：注入少子濃度接近以至超過平衡多子濃度 基區(qū)大注入時(shí)，注入基區(qū)的電子濃度接近甚至超過基區(qū)空穴平衡濃度。另外，為了維持電中性，基區(qū)積累起與少子相同濃度和分布的空穴（非平衡多子）參見圖2-15c、d。13第13頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一14第14頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一15第15頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一16第16頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一注入載流子以及為維持電中性而增加的多子使得基區(qū)電阻率顯著下降，并且

8、電阻（導(dǎo)）率隨注入水平變化，稱為基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)4.2 基區(qū)大注入效應(yīng)對(duì)電流放大系數(shù)的影響2. 基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)可見，非平衡少子濃度的變化引起基區(qū)電阻率的變化（調(diào)制）實(shí)際上，引起電阻率變化的因素包括高濃度的非平衡少子，但作為基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)影響電流放大系數(shù)（發(fā)射效率）的是基區(qū)多子空穴17第17頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.2 基區(qū)大注入效應(yīng)對(duì)電流放大系數(shù)的影響發(fā)射效率項(xiàng)勢(shì)壘復(fù)合項(xiàng)基區(qū)輸運(yùn)（體復(fù)合）項(xiàng)表面復(fù)合項(xiàng)3.基區(qū)大注入對(duì)電流放大系數(shù)的影響18第18頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.2 基區(qū)大注入效應(yīng)對(duì)電流放大系數(shù)的影響表示發(fā)射

9、結(jié)勢(shì)壘復(fù)合的第二項(xiàng)在大注入下可以忽略，故只需討論其余三項(xiàng)在大注入下如何變化。 第一項(xiàng)：小注入時(shí)的發(fā)射效率項(xiàng)。大注入下基區(qū)電阻率的變化使發(fā)射效率項(xiàng)變?yōu)?（4-14）第三項(xiàng)：體復(fù)合項(xiàng)，它表示基區(qū)體復(fù)合電流Ivb與發(fā)射極注入的電子電流Ine之比。若基區(qū)電子壽命為tnb，則 （4-15）3.基區(qū)大注入對(duì)電流放大系數(shù)的影響19第19頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.2 基區(qū)大注入效應(yīng)對(duì)電流放大系數(shù)的影響3.基區(qū)大注入對(duì)電流放大系數(shù)的影響（4-16）（4-1）第四項(xiàng)：基區(qū)表面復(fù)合項(xiàng)，表示基區(qū)表面復(fù)合電流與發(fā)射極電子電流之比。將式(266)與式(41)相比，即可得到大注入下基區(qū)

10、表面復(fù)合項(xiàng) 。（2-66）（4-17）20第20頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一這里用基區(qū)邊界的注入電子濃度近似代表整個(gè)基區(qū)內(nèi)的注入電子濃度。 都很大（4-19）（4-18）（4-20）由于基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，相當(dāng)于基區(qū)摻雜濃度增大，穿過發(fā)射結(jié)的空穴電流分量增大，使g降。 第二項(xiàng)、第三項(xiàng)表明，由于大注入下基區(qū)電子擴(kuò)散系數(shù)增大一倍，可視為電子穿越基區(qū)的時(shí)間縮短一半，復(fù)合幾率下降，所以使體內(nèi)復(fù)合和表面復(fù)合均較小注入時(shí)減少一半。 缺勢(shì)壘復(fù)合項(xiàng)21第21頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一圖4-3 1/b隨Ie的變化在小電流下，大注入自建電場(chǎng)的作用使基

11、區(qū)輸運(yùn)系數(shù)增加（極限2倍）在大電流下，基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)引起發(fā)射效率下降（起主要作用）22第22頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一緩變基區(qū)中，大注入自建電場(chǎng)的作用破壞了緩變基區(qū)自建電場(chǎng)，在特大注入時(shí)，基區(qū)少子完全受大注入自建電場(chǎng)的作用，和均勻基區(qū)情況一樣，擴(kuò)散系數(shù)增大一倍。基區(qū)渡越時(shí)間都趨于Wb2/4Dnb23第23頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.1 集電極最大允許工作電流ICM晶體管電流放大系數(shù)與集電極電流的關(guān)系。在大電流下，b0隨Ic增加而迅速減小，限制了晶體管最大工作電流。 晶體管的電流放大系數(shù)主要決定于g和b*。共發(fā)射極直流短路電

12、流放大系數(shù)b0下降到最大值b0M的一半(即bobOM0.5)時(shí)所對(duì)應(yīng)的集電極電流為集電極最大工作電流，記為ICM小結(jié)24第24頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.2 基區(qū)大注入效應(yīng)對(duì)電流放大系數(shù)的影響1.基區(qū)大注入下的電流在發(fā)射極電流密度很大的情況下，基區(qū)電子濃度線性分布，且與雜質(zhì)分布情況無關(guān)（均勻基區(qū)和緩變基區(qū)一樣）。由于大注入下擴(kuò)散、漂移各半，電子濃度梯度只為小注入時(shí)的一半時(shí)即可維持與小注入下相當(dāng)?shù)碾娏髦怠?.基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)注入載流子以及為維持電中性而增加的多子使得基區(qū)電阻率顯著下降，并且電阻（導(dǎo)）率隨注入水平變化，稱為基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)3.基區(qū)大注入對(duì)電流放大

13、系數(shù)的影響由于基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，相當(dāng)于基區(qū)摻雜濃度增大，穿過發(fā)射結(jié)的空穴電流分量增大，使g降。 由于大注入下基區(qū)電子擴(kuò)散系數(shù)增大一倍，可視為電子穿越基區(qū)的時(shí)間縮短一半，復(fù)合幾率下降，所以使體內(nèi)復(fù)合和表面復(fù)合均較小注入時(shí)減少一半。小結(jié)25第25頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.3 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)是引起大電流下晶體管電流放大系數(shù)下降的另一重要原因。因系大電流下集電結(jié)空間電荷分布情況發(fā)生變化而造成的b下降(以及fT下降)，因此又稱為 集電結(jié)空間電荷區(qū)電荷限制效應(yīng)。所對(duì)應(yīng)的最大電流稱為 空間電荷限制效應(yīng)限制的最大集電極電流。 由于合金管與平面管集電結(jié)兩側(cè)

14、摻雜情況不同，空間電荷區(qū)內(nèi)的電荷分布及改變規(guī)律不同，受電流變化的影響也不同。26第26頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.3 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)圖4-5 均勻基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴(kuò)展均勻基區(qū)晶體管（合金管）單邊突變結(jié)近似空間電荷區(qū)主要向基區(qū)側(cè)擴(kuò)展小電流下，按耗盡層近似，有大電流下，大量空穴流過空間電荷區(qū)，不再滿足耗盡層近似 正電荷區(qū)電荷密度 負(fù)電荷區(qū)電荷密度結(jié)上電壓VC不變，則電場(chǎng)強(qiáng)度曲線包圍面積不變，于是，正電荷區(qū)收縮，負(fù)電荷區(qū)略展寬P+P+n0 xpxnXn”WbWbWcib1.均勻基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)27第27頁，共116頁，2022年，5月20日，14

15、點(diǎn)40分，星期一4.3 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)圖4-6 基區(qū)寬度隨電流的變化xJcWbWcibJcr0-xm0Xm(Jc)P+nP+ 將電流密度轉(zhuǎn)換成載流子濃度，代入一維泊松方程可得空間電荷區(qū)寬度xm與集電極電流（密度）Jc關(guān)系，進(jìn)而得到感應(yīng)基區(qū)和有效基區(qū)寬度與電流密度的關(guān)系均勻基區(qū)晶體管有效基區(qū)擴(kuò)展的規(guī)律。1.均勻基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)28第28頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.3 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)（4-23）（4-24）（4-25）左邊：（4-22）1.均勻基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)29第29頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.3

16、 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)（4-26）右邊：（4-27）得到：（4-29）令：（4-28）xm01.均勻基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)30第30頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.3 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)（4-29a）圖4-6 基區(qū)寬度隨電流的變化當(dāng)pND時(shí)，即特大注入情況，xm0，有效基區(qū)寬度擴(kuò)展到cb結(jié)冶金結(jié)處。當(dāng)p=ND時(shí)，Jc=Jcr, xm= xm0.1.均勻基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)31第31頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.3 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)1.均勻基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)實(shí)際上，由：（1-92）當(dāng) 時(shí)，32第32頁，共116頁

17、，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.3 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)1.均勻基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)則當(dāng)認(rèn)為則（4-29a）33第33頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.3 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)2.緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) 對(duì)于平面管（以n+-p-n-n+為例），其基區(qū)雜質(zhì)濃度高于集電區(qū)，集電結(jié)空間電荷區(qū)主要向集電區(qū)一側(cè)擴(kuò)展。當(dāng)大量載流子電子穿過集電結(jié)空間電荷區(qū)時(shí)，引起另一種類型的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)。 由于電子的流入，引起負(fù)空間電荷區(qū)（基區(qū)側(cè)）電荷密度增加，正空間電荷區(qū)（集電區(qū)側(cè)）電荷密度減小。為保持電中性，負(fù)空間電荷區(qū)寬度變窄，而正空間電荷區(qū)展寬。 當(dāng)電流

18、密度很大時(shí)，載流子電子的濃度達(dá)到以至超過原正空間電荷密度，使原正空間電荷區(qū)變成中性區(qū)以至負(fù)電荷區(qū)，正負(fù)電荷區(qū)邊界改變，發(fā)生有效基區(qū)擴(kuò)展。 34第34頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.3 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)圖4-7 緩變基區(qū)晶體管cb結(jié)空間電荷區(qū)電場(chǎng)分布圖4-5 均勻基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴(kuò)展P+n0 xpxnXn”WbWbWcibE2.緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)35第35頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.3 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) 由于電流密度與載流子濃度、載流子漂移速度成正比，半導(dǎo)體中載流子遷移率（漂移速度）又隨電場(chǎng)強(qiáng)度而變化，所以，不

19、同電場(chǎng)強(qiáng)度下，同樣的電流密度可有不同的載流子濃度，對(duì)空間電荷的補(bǔ)償作用及規(guī)律也不同。 緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)分強(qiáng)場(chǎng)和弱場(chǎng)兩種情況： 在強(qiáng)場(chǎng)中，載流子以極限漂移速度運(yùn)動(dòng)，電流的增大依靠載流子濃度的增大； 在弱場(chǎng)中，電流的增大依靠載流子漂移速度的增大（電場(chǎng)有限地增大），載流子濃度可以不變。2.緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)36第36頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一2.緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)4.3 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)強(qiáng)場(chǎng)情況弱場(chǎng)情況37第37頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.3 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)強(qiáng)場(chǎng)情況（4-33）（4-3

20、2）（4-34）2.緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)38第38頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.3 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)強(qiáng)場(chǎng)情況（4-34）a.小注入，耗盡層近似；b.隨Jc增大，斜率下降，斜線變平緩；c.當(dāng)Jc=Jcr=qNDvsl時(shí)，E(x)=E(0)，正負(fù)電荷在n區(qū)兩側(cè)；d.當(dāng)JcJcr時(shí)，n區(qū)出現(xiàn)負(fù)電荷，曲線斜率為負(fù)，在Jc=Jcr時(shí)，E(0)=0；e.JcJcr 時(shí)，發(fā)生基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)。2.緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)39第39頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.3 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)強(qiáng)場(chǎng)情況（4-35）（4-36）（4-36a）

21、因JcJcr開始有效基區(qū)擴(kuò)展，故Jcr被稱為平面管強(qiáng)場(chǎng)下有效基區(qū)擴(kuò)展的臨界電流密度。2.緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)0Wc內(nèi)積分，VD-Vc為集電結(jié)上電壓。40第40頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.3 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)強(qiáng)場(chǎng)情況（4-37）（4-38）（4-39）2.緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)41第41頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.3 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)強(qiáng)場(chǎng)情況緩變基區(qū)晶體管集電結(jié)空間電荷區(qū)主要向集電區(qū)側(cè)擴(kuò)展大量載流子流過電荷區(qū)，改變其中電荷密度強(qiáng)場(chǎng)時(shí)，載流子達(dá)到極限漂移速度，電流增大，載流子濃度增大Jc=Jcr=qNDv

22、sl時(shí)，載流子電荷恰好中和集電區(qū)電荷，正負(fù)電荷分布在集電區(qū)兩側(cè)Jc=Jcr時(shí)，E(0)=0； Jcr被稱為平面管強(qiáng)場(chǎng)下有效基區(qū)擴(kuò)展的臨界電流密度感應(yīng)基區(qū)擴(kuò)展的極限是n-n+交界面小結(jié)2.緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)42第42頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.3 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)弱場(chǎng)情況2.緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)43第43頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.3 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)弱場(chǎng)情況如果Jc=Jcr=qvslND(NA)時(shí)，cb結(jié)勢(shì)壘區(qū)場(chǎng)強(qiáng)小于104V/cm,則處于弱場(chǎng)情況載流子在勢(shì)壘區(qū)中尚未達(dá)到極限漂移速度，載流子的漂移

23、速度與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比電流(Jc=qvncn)的增加依靠載流子速度的提高來實(shí)現(xiàn)載流子速度的提高依靠電場(chǎng)強(qiáng)度的提高此時(shí)n=Nc，集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)內(nèi)凈電荷為零，電場(chǎng)保持均勻隨著Jc增大，勢(shì)壘區(qū)保持均勻電場(chǎng)向襯底收縮，同時(shí)均勻的電場(chǎng)強(qiáng)度增大，發(fā)生緩變基區(qū)晶體管弱場(chǎng)下的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)2.緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)？44第44頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.3 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)弱場(chǎng)情況當(dāng)n=Nc時(shí)，dE/dx=0. 隨著Jc增大，若n增加，使nNc，則有凈電荷，使|E(x)|隨x增大。 而 若|E(x)|增大，則n減小，這將使|E(x) |減小 所以，當(dāng)n=Nc時(shí)，弱場(chǎng)

24、下，電場(chǎng)區(qū)將保持n=Nc，而dE/dx=02.緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)45第45頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.3 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)弱場(chǎng)情況有多余部分n積累在電場(chǎng)區(qū)邊界做為負(fù)電荷層以維持電場(chǎng)，弱場(chǎng)中只允許n=Nc的電子流過。外加電壓不變，電場(chǎng)分布曲線包圍面積不變，E(x)曲線包圍區(qū)域隨Jc增大而變窄、增高，直至達(dá)到強(qiáng)場(chǎng)，n才可以大于Nc，v=vsl。2.緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)46第46頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.3 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)弱場(chǎng)情況2.緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)47第47頁，共116頁，2022

25、年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.3 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)小結(jié)有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)是大電流（密度）下造成晶體管電流放大系數(shù)下降的重要原因之一。根據(jù)晶體管結(jié)構(gòu)和工作條件，有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)分三種類型，有各自的擴(kuò)展規(guī)律、機(jī)制和臨界電流密度。1.均勻基區(qū)：有 即有擴(kuò)展， 時(shí) 2.緩變強(qiáng)場(chǎng)： 時(shí)，開始擴(kuò)展。 3.緩變?nèi)鯃?chǎng)： 時(shí)，開始擴(kuò)展。由于 的變化，改變了空間電荷區(qū)電場(chǎng)和電荷分布，出現(xiàn)有效基區(qū)擴(kuò)展，本質(zhì)上都是集電結(jié)空間電荷區(qū)總電荷在一定的集電結(jié)偏壓作用下恒定的限制所造成的，故也稱集電結(jié)空間電荷區(qū)電荷限制效應(yīng)。48第48頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.4 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)

26、49第49頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.4 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)實(shí)際晶體管中，基極電流平行于結(jié)平面流動(dòng)基極電流在狹長(zhǎng)的基極電阻上產(chǎn)生平行于結(jié)平面方向的橫向壓降大電流下，橫向壓降也很大，明顯改變eb結(jié)各處實(shí)際電壓，導(dǎo)致各處實(shí)際注入電流的懸殊差異電流大部分集中在發(fā)射區(qū)邊界，使發(fā)射區(qū)面積不能充分利用電流的局部集中使得在小電流下局部也有較大的電流密度，從而引起局部的“大注入”效應(yīng)和有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)50第50頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.4 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)發(fā)射極電流分布發(fā)射區(qū)有效寬度發(fā)射極有效長(zhǎng)度基極電阻的變化發(fā)射極電流集邊效應(yīng)發(fā)射區(qū)

27、有效（半）寬度發(fā)射極有效長(zhǎng)度發(fā)射極峰值電流密度發(fā)射極平均電流密度 概念 定義 計(jì)算51第51頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.4 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)1.發(fā)射極電流分布（1-37）由于p-n 結(jié)電流與結(jié)電壓的指數(shù)關(guān)系，發(fā)射結(jié)偏壓越高，發(fā)射極邊緣處的電流較中間部位的電流越大，這種現(xiàn)象稱為發(fā)射極電流集邊效應(yīng)。這種效應(yīng)是由于基區(qū)體電阻的存在引起橫向壓降所造成的，又稱之為基極電阻自偏壓效應(yīng)。52第52頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.4 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)圖4-13 發(fā)射極上的電流分布1.發(fā)射極電流分布53第53頁，共116頁，2022年，5月

28、20日，14點(diǎn)40分，星期一4.4 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)2.發(fā)射極有效寬度 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)(或基極電阻自偏壓效應(yīng))增大了發(fā)射結(jié)邊緣處的電流密度，使之更容易產(chǎn)生大注入效應(yīng)或有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)，同時(shí)使發(fā)射結(jié)面積不能充分利用，因而有必要對(duì)發(fā)射區(qū)寬度的上限作一個(gè)規(guī)定。 為充分利用發(fā)射區(qū)面積，限制集邊效應(yīng)，特規(guī)定：發(fā)射極中心到邊緣處的橫向壓降為kT/q時(shí)所對(duì)應(yīng)的發(fā)射極條寬為發(fā)射極有效寬度，記為2Seff。Seff稱為有效半寬度。54第54頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.4 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)2.發(fā)射極有效寬度55第55頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，

29、星期一4.4 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)（4-44）（4-45）rb的自偏壓2.發(fā)射極有效寬度56第56頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.4 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)（4-46）0E區(qū)VYV(Y)VE(y)V(y)沿Y方向的電勢(shì)分布VE(y)沿Y方向eb結(jié)上電壓分布2.發(fā)射極有效寬度57第57頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.4 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)（4-47）邊界條件：解得：（4-48）2.發(fā)射極有效寬度58第58頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.4 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)（4-49）可代替JE(0)計(jì)算Seff，意義更明

30、顯，運(yùn)用更方便。2.發(fā)射極有效寬度59第59頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.4 發(fā)射極電流集邊效應(yīng) 有關(guān)定義均以發(fā)射極寬度等于有效寬度為前提。 當(dāng)發(fā)射極寬度大于有效寬度時(shí)，可認(rèn)為中心附近區(qū)域（Seff之外區(qū)域)對(duì)器件工作不起作用，或沒有電流（實(shí)際很?。?上述討論以y=0為坐標(biāo)原點(diǎn)，但Seff是從發(fā)射極邊緣向中心計(jì)算的。2.發(fā)射極有效寬度60第60頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.4 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)3.發(fā)射極有效長(zhǎng)度定義：沿極條長(zhǎng)度方向，電極端部至根部之間壓降為kT/q時(shí)所對(duì)應(yīng)的發(fā)射極長(zhǎng)度稱為發(fā)射極有效長(zhǎng)度作用：類似于基極電阻自

31、偏壓效應(yīng)，但沿Z方向，作用在結(jié)的發(fā)射區(qū)側(cè)計(jì)算：與基極電阻相同求法求出發(fā)射極條等效電阻后,按定義求出。圖4-17 沿發(fā)射極條長(zhǎng)方向的電流分布61第61頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.4 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)4.基極電阻的變化大電流下，計(jì)算基極電阻時(shí)，發(fā)射極電流均勻分布的假設(shè)不再成立。由于集邊效應(yīng)，使得與Ie復(fù)合的基極電流也不再線性減小大注入效應(yīng)所引起的基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使基區(qū)電阻大為減小有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)也使基區(qū)電阻減小 總之，大電流下，基極電阻會(huì)大為減小。 但一般難于計(jì)算，可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得。62第62頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.4 發(fā)

32、射極電流集邊效應(yīng)小結(jié)發(fā)射極電流分布發(fā)射區(qū)有效寬度發(fā)射極有效長(zhǎng)度基極電阻的變化發(fā)射極電流集邊效應(yīng)發(fā)射區(qū)有效（半）寬度發(fā)射極有效長(zhǎng)度發(fā)射極峰值電流密度發(fā)射極平均電流密度 概念 定義 計(jì)算為充分利用發(fā)射區(qū)面積，限制集邊效應(yīng)，特規(guī)定：發(fā)射極中心到邊緣處的橫向壓降為kT/q時(shí)所對(duì)應(yīng)的發(fā)射極條寬為發(fā)射極有效寬度，記為2Seff。Seff稱為有效半寬度。大電流下，計(jì)算基極電阻時(shí)，發(fā)射極電流均勻分布的假設(shè)不再成立。由于集邊效應(yīng)，使得與Ie復(fù)合的基極電流也不再線性減小大注入效應(yīng)所引起的基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使基區(qū)電阻大為減小有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)也使基區(qū)電阻減小 總之，大電流下，基極電阻會(huì)大為減小。 但一般難于計(jì)算，可通過

33、實(shí)驗(yàn)測(cè)得。63第63頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.5 發(fā)射極單位周長(zhǎng)電流容量線電流密度由于電流集邊效應(yīng)，使得在大電流情況下晶體管的電流容量不是取決于發(fā)射區(qū)面積，而是取決于發(fā)射區(qū)的周長(zhǎng)。為此，特定義單位發(fā)射極周長(zhǎng)上的電流為線電流密度： 64第64頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.5 發(fā)射極單位周長(zhǎng)電流容量線電流密度上式中JCM為保證不發(fā)生基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)或基區(qū)大注入效應(yīng)的最大(面)電流密度。由于二者數(shù)值不等，在設(shè)計(jì)晶體管時(shí)應(yīng)按較小的電流密度做為計(jì)算依據(jù)。一般說來，合金型晶體管基區(qū)雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于集電區(qū)雜質(zhì)濃度，容易發(fā)生基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。

34、而外延平面(臺(tái)面)管，因基區(qū)雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于集電區(qū)雜質(zhì)濃度，易于發(fā)生向集電區(qū)延伸的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)。 65第65頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.5 發(fā)射極單位周長(zhǎng)電流容量線電流密度按基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)計(jì)算，定義：注入到基區(qū)eb結(jié)側(cè)邊界少子濃度達(dá)到基區(qū)雜質(zhì)濃度時(shí)所對(duì)應(yīng)的發(fā)射極電流密度為受基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)限制的最大發(fā)射極電流密度。對(duì)于均勻基區(qū)管：對(duì)于緩變基區(qū)管：(4-1)66第66頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.5 發(fā)射極單位周長(zhǎng)電流容量線電流密度按有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)計(jì)算，定義：基區(qū)開始擴(kuò)展時(shí)的臨界電流密度為最大集電極電流密度。對(duì)于均勻基

35、區(qū)管：對(duì)于緩變基區(qū)管：強(qiáng)場(chǎng)弱場(chǎng)圖4-6 基區(qū)寬度隨電流的變化67第67頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.5 發(fā)射極單位周長(zhǎng)電流容量線電流密度在晶體管設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按上述各式求出發(fā)生基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)及有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)的最大電流密度，選其中較小者作為設(shè)計(jì)的上限，以保證在正常工作時(shí)晶體管中不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)及基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)。 68第68頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.5 發(fā)射極單位周長(zhǎng)電流容量線電流密度 在功率晶體管中，常常會(huì)遇到“改善大電流特性”的問題。所謂改善大電流特性，就是指設(shè)法將b0或fT開始下降的電流提高一些，或者說是如何

36、提高集電極最大工作電流ICM的問題。 對(duì)于圖形確定的晶體管，改善大電流特性主要是提高發(fā)射極單位周長(zhǎng)電流容量(即提高線電流密度)，可以考慮的途徑是： 外延層電阻率選得低一些，外延層厚度盡可能小些； 直流放大系數(shù)b0或fT盡量做得大些; 在允許的范圍內(nèi)適當(dāng)提高集電結(jié)的偏壓及降低內(nèi)基區(qū)方塊電阻。 其中、兩項(xiàng)可調(diào)整的范圍大些，但第項(xiàng)又受擊穿電壓指標(biāo)的限制，第項(xiàng)受成品率等的限制，b0、fT也不能做得太高；考慮到發(fā)射結(jié)擴(kuò)散及發(fā)射結(jié)擊穿電壓，內(nèi)基區(qū)方塊電阻又不能做得太小，所以提高線電流密度的限度也是有限的。如實(shí)在滿足不了要求，只能靠加長(zhǎng)發(fā)射極總周長(zhǎng)來改善大電流特性。69第69頁，共116頁，2022年，5月

37、20日，14點(diǎn)40分，星期一4.5 發(fā)射極單位周長(zhǎng)電流容量線電流密度小結(jié)由于電流集邊效應(yīng)，在大電流情況下晶體管的電流容量取決于發(fā)射區(qū)的周長(zhǎng)。定義單位發(fā)射極周長(zhǎng)上的電流為線電流密度 為保證不發(fā)生基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)或基區(qū)大注入效應(yīng)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按較小的電流密度做為計(jì)算依據(jù)。按基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)計(jì)算，定義：注入到基區(qū)eb結(jié)側(cè)邊界少子濃度達(dá)到基區(qū)雜質(zhì)濃度時(shí)所對(duì)應(yīng)的發(fā)射極電流密度為受基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)限制的最大發(fā)射極電流密度。按有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)計(jì)算，定義：基區(qū)開始擴(kuò)展時(shí)的臨界電流密度為最大集電極電流密度。改善大電流特性，就是指設(shè)法將b0或fT開始下降的電流提高一些，或者說是如何提高集電極最大工作電流ICM的問題。7

38、0第70頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.6 晶體管最大耗散功率PCM 最大耗散功率是從熱學(xué)角度限制晶體管最大輸出功率的參數(shù)。這是設(shè)計(jì)、制造大功率晶體管必須考慮的重要參數(shù)之一。 晶體管具有功率放大作用，并不是說它本身產(chǎn)生能量，晶體管只是把電源的能量轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)的能量，使輸出信號(hào)功率Po比輸入信號(hào)功率Pi大Kp倍(Kp Po/Pi)。在轉(zhuǎn)換過程中晶體管本身還要消耗一定的功率Pc。 71第71頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.6 晶體管最大耗散功率PCM晶體管耗散的功率PC轉(zhuǎn)換成為熱量。一部分散發(fā)到環(huán)境中；一部分使結(jié)溫升高。晶體管在進(jìn)行

39、功率放大時(shí)，eb結(jié)正偏，cb結(jié)反偏，cb結(jié)的結(jié)電阻遠(yuǎn)大于eb結(jié)的結(jié)電阻，故晶體管的功率消耗主要在集電結(jié)，發(fā)熱也主要在集電結(jié)。晶體管最大耗散功率PCM不僅限制了晶體管的工作點(diǎn)，也通過轉(zhuǎn)換效率限制其輸出功率(圖4-18)。晶體管最大耗散功率受熱阻、最高允許結(jié)溫和環(huán)境溫度限制。72第72頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.6 晶體管最大耗散功率PCM熱阻 如果晶體管耗散功率所轉(zhuǎn)換的熱量大于單位時(shí)間所能散發(fā)出去的熱量，多余的熱量將使結(jié)溫Tj升高。 如果環(huán)境溫度記為TA，則管芯每單位時(shí)間向外部散發(fā)的熱量應(yīng)為 QK(TJ一TA)，K為平均熱導(dǎo)。 隨著結(jié)溫的升高，散熱能力也增大，

40、當(dāng)晶體管產(chǎn)生的熱量(以 消耗的電功率表示)與單位時(shí)間所能散發(fā)的熱量相等時(shí)，達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)，此時(shí)： 73第73頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.6 晶體管最大耗散功率PCM熱導(dǎo)率晶體管管芯到管殼的熱阻稱為內(nèi)熱阻。晶體管熱阻包括Sj片、AuSb片、Mo片及銅管座等構(gòu)成的內(nèi)熱阻，以及外接觸熱阻及散熱片熱阻等?？偀嶙钁?yīng)為各部分熱阻串聯(lián)之總和。 晶體管中的實(shí)際情況遠(yuǎn)比上述分析復(fù)雜得多，這是因?yàn)?，各部位并非均為?yán)格的片狀材料；熱流方向不可能是一維的；電流在集電結(jié)非均勻分布，強(qiáng)迫冷卻條件的變 化；這些因素都使得熱阻的計(jì)算既復(fù)雜又粗略，故一般都通過實(shí)驗(yàn)來確定。熱阻74第74頁，共11

41、6頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.6 晶體管最大耗散功率PCM最大耗散功率晶體管的最大耗散功率PCM即當(dāng)結(jié)溫Tj達(dá)到最高允許結(jié)溫TjM時(shí)所對(duì)應(yīng)的耗散功率。 當(dāng)環(huán)境溫度為T時(shí):75第75頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.6 晶體管最大耗散功率PCM最大耗散功率熱阻小結(jié)最高結(jié)溫：硅管150200，鍺管85120。76第76頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.7 二次擊穿和安全工作區(qū)二次擊穿現(xiàn)象二次擊穿特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析二次擊穿原因分析及改善措施電流集中二次擊穿雪崩注入二次擊穿安全工作區(qū)77第77頁，共116頁，2022年

42、，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.7 二次擊穿和安全工作區(qū)圖4-21 二次擊穿現(xiàn)象1. 二次擊穿現(xiàn)象當(dāng)晶體管集電結(jié)反偏增加到一定值時(shí)，發(fā)生雪崩擊穿，電流急劇上升。當(dāng)集電結(jié)反偏繼續(xù)升高，電流Ic增大到某值后,cb結(jié)上壓降突然降低而Ic卻繼續(xù)上升，即出現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)(如圖421)，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿。78第78頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.7 二次擊穿和安全工作區(qū)圖4-21 二次擊穿現(xiàn)象A點(diǎn)稱為二次擊穿觸發(fā)點(diǎn)。 該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流及電壓分別稱為 二次擊穿觸發(fā)電流ISB與 二次擊穿觸發(fā)電壓VSB。 晶體管在Ib0、Ib0、Ib0條件下均可發(fā)生二次擊穿，分別稱之為 基

43、極正偏二次擊穿、 零偏二次擊穿和 反偏二次擊穿。1. 二次擊穿現(xiàn)象79第79頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.7 二次擊穿和安全工作區(qū)圖4-22 二次擊穿臨界線將不同Ib下的觸發(fā)點(diǎn)A連成曲線，得到二次擊穿臨界線 (圖4-22)。 從發(fā)生雪崩擊穿并到達(dá)A點(diǎn)至發(fā)生二次擊穿，這中間僅需ms-ms數(shù)量級(jí)的時(shí)間間隔。這段時(shí)間稱為二次擊穿觸發(fā)時(shí)間，記為td。在td時(shí)間內(nèi)，消耗在晶體管中的能量 稱為二次擊穿觸發(fā)能量。顯然，ESB（或二次擊穿觸發(fā)功率PSB)越大，發(fā)生二次擊穿越困難，該晶體管抗二次擊穿能力越強(qiáng)。因此，ESB也叫二次擊穿耐量。1. 二次擊穿現(xiàn)象80第80頁，共116

44、頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.7 二次擊穿和安全工作區(qū)分析整個(gè)二次擊穿過程，大致可以分為如下四個(gè)階段： (1)在擊穿或轉(zhuǎn)折電壓下產(chǎn)生電流不穩(wěn)定性； (2)從高電壓區(qū)轉(zhuǎn)至低電壓區(qū)，即結(jié)上電壓崩落，該擊穿點(diǎn)的電阻急劇下降； (3)低壓大電流范圍：此時(shí)半導(dǎo)體處于高溫下，擊穿點(diǎn)附近的半導(dǎo)體是本征型的； (4)電流繼續(xù)增大，擊穿點(diǎn)熔化，造成永久性損壞。 上述一系列過程僅僅發(fā)生在msms范圍內(nèi)。如果沒有保護(hù)電路，晶體管很快被燒毀。1. 二次擊穿現(xiàn)象81第81頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.7 二次擊穿和安全工作區(qū)2. 二次擊穿的特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析分析二

45、次擊穿現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)有如下顯著持點(diǎn)： (1)從高壓低電流區(qū)急劇地過渡到低壓大電流區(qū)、呈現(xiàn)負(fù)阻特性。 (2)發(fā)生二次擊穿時(shí)，原先大體上均勻分布的電流會(huì)急劇地集中在發(fā)射區(qū)的某一部分經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)二次擊穿具有如下規(guī)律： (1)在Ib0、Ib0、Ib0時(shí)都可以發(fā)生二次擊穿，且在不同基極偏置條件下，二次擊穿觸發(fā)功率(PSBISBVSB)間滿足如下關(guān)系：PSBFPSB0PSBR 顯然，Ib0時(shí)PSB最小，意味著其它條件相同時(shí)基極反偏時(shí)最易發(fā)生二次擊穿。 82第82頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.7 二次擊穿和安全工作區(qū) (2)二次擊穿臨界(觸發(fā))電流ISB與臨界觸發(fā)

46、)電壓VSB不是相互獨(dú)立的，而是滿足關(guān)系式ISBVSB-m。其中m與晶體管種類及制作方法有關(guān)。一般說來，對(duì)于緩變結(jié)m1.5，而對(duì)于突變結(jié)m4(指集電結(jié)而言) (3)二次擊穿觸發(fā)功率與晶體管特征頻率之間存在著一定的關(guān)系 : 式中，Kf為晶體管常數(shù)，mf為相關(guān)指數(shù),其數(shù)值介于0.51之間。PSB不僅與fT有關(guān)，還與測(cè)量脈寬有關(guān)。在fT相同時(shí)，脈寬越窄，PSB越高。如圖4-23所示。2. 二次擊穿的特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析83第83頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.7 二次擊穿和安全工作區(qū)圖4-23 PSB與fT測(cè)量脈寬的關(guān)系2. 二次擊穿的特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析84第84頁，共

47、116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.7 二次擊穿和安全工作區(qū) (4)二次擊穿觸發(fā)能量與基極電阻及基區(qū)電阻率有關(guān)。圖424所示為某鍺功率管的實(shí)驗(yàn)曲線。由圖可見?；鶇^(qū)電阻越大，PSB越低。 圖4-24 PSB與rb、rb的關(guān)系(Ge晶體管)2. 二次擊穿的特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析85第85頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.7 二次擊穿和安全工作區(qū) (5) 一般說來電流放大系數(shù)較大的晶體管其PSB較低。 (6)在Ib0時(shí)，二次擊穿觸發(fā)能量還與外延層厚度有關(guān)。隨著外延層厚度的增加 PSB也增大。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著外延層厚度的減薄，環(huán)境溫度TA對(duì)PSB的影響越來

48、越小。如 圖425所示。2. 二次擊穿的特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析86第86頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.7 二次擊穿和安全工作區(qū)圖4-25 PSB與外延層厚度及環(huán)境溫度的關(guān)系2. 二次擊穿的特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析87第87頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.7 二次擊穿和安全工作區(qū) (7) 一般耗散功率PCM大的晶體管，集電結(jié)面積都較大，這使得雜質(zhì)分布的不均勻性及缺陷數(shù)目均有所增加，致使PSB相對(duì)減小 (8)發(fā)生二次擊穿時(shí)整個(gè)晶體管無明顯的溫升。 2. 二次擊穿的特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析88第88頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分

49、，星期一4.7 二次擊穿和安全工作區(qū)二次擊穿的機(jī)理較為復(fù)雜，至今尚沒有一個(gè)較為完整的理論對(duì)二次擊穿做嚴(yán)格定量的分析解釋，目前比較普遍的解釋是電流集中二次擊穿和雪崩注入二次擊穿。3. 二次擊穿原因分析及改善措施(一)電流集中二次擊穿這種擊穿是由于晶體管內(nèi)部出現(xiàn)電流局部集中，形成“過熱點(diǎn)”，導(dǎo)致該處發(fā)生局部熱擊穿的結(jié)果。這一理論又稱為熱不穩(wěn)定性理論。 （二）雪崩注入二次擊穿這是一種與外延層厚度密切相關(guān)的二次擊穿。這種二次擊穿是由集電結(jié)內(nèi)的電場(chǎng)分布及雪崩倍增區(qū)隨Ic變化，倍增多子反向注入勢(shì)壘區(qū)而引起的，故稱為雪崩注入二次擊穿。89第89頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.

50、7 二次擊穿和安全工作區(qū)一、電流集中二次擊穿 (1.)機(jī)理分析 (2.) 導(dǎo)致電流局部集中的原因 (3.) 改善及預(yù)防措施3. 二次擊穿原因分析及改善措施90第90頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.7 二次擊穿和安全工作區(qū)電流局部集中局部結(jié)溫升高電流隨結(jié)溫指數(shù)增加局部達(dá)到本征溫度形成過熱點(diǎn)集電結(jié)耗盡層本征導(dǎo)電Vce下降，電流急劇上升熔點(diǎn)溫度，永久破壞二次擊穿電流集中二次擊穿一次熱擊穿3. 二次擊穿原因分析及改善措施91第91頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.7 二次擊穿和安全工作區(qū) Ib0時(shí)的二次擊穿就屬于此種。對(duì)Ib0時(shí)發(fā)生二次擊穿

51、后的管芯進(jìn)行顯微觀察，發(fā)現(xiàn)基區(qū)內(nèi)有微小的再結(jié)晶區(qū)。這是二次擊穿時(shí)“過熱點(diǎn)”溫度超過了半導(dǎo)體的熔點(diǎn)產(chǎn)生局部熔化，冷卻后再結(jié)晶所致。所以二次擊穿后，晶體管往往發(fā)生c、e穿通。 3. 二次擊穿原因分析及改善措施92第92頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.7 二次擊穿和安全工作區(qū)(2.) 導(dǎo)致電流局部集中的原因大電流下Ie的高度集邊。 原材料或工藝過程造成的缺陷和不均勻性。在缺陷處雜質(zhì)擴(kuò)散快，造成結(jié)不平坦、基區(qū)寬度Wb不均勻等。發(fā)射極條、基極條間由于光刻、制版等原因造成各部位尺寸不均勻而引起的電位分配不均勻?？偟腎E在各小單元發(fā)射區(qū)上分配不均勻，邊緣處散熱能力強(qiáng)，中心處散

52、熱能力差，造成中心部位Tj較高，故二次擊穿后熔融點(diǎn)多在中心部位。由于燒結(jié)不良形成空洞而造成的局部熱阻過大，使該處結(jié)溫升高，電流增大。 晶體管的結(jié)面積越大，存在不均勻性的危險(xiǎn)也越大，越易發(fā)生二次擊穿。 3. 二次擊穿原因分析及改善措施93第93頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.7 二次擊穿和安全工作區(qū)主要目的是改善電流分配的不均勻性?？梢钥紤]的措施有： (1)降低rb，以改善發(fā)射極電流集邊效應(yīng)的影響; (2)提高材料及工藝水平，盡可能消除不均勾性。在其它條件均相同時(shí)，采用單晶片做的功率晶體管較采用外延片做的器件的PSB大1-2倍，這是因?yàn)橥庋悠毕葺^單晶片多的緣故。

53、 (3)改善管芯與底座間的散熱均勻性，消除由于接觸不良而形成的“過熱點(diǎn)”。 (4)采用發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻。這是解決正偏二次擊穿的一個(gè)有效方法。 (3.) 改善及預(yù)防措施3. 二次擊穿原因分析及改善措施94第94頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.7 二次擊穿和安全工作區(qū) 發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻 對(duì)梳狀結(jié)構(gòu)電極，在每一單元發(fā)射極條上加串聯(lián)電阻REi，(如圖4-27)。如果由于熱不穩(wěn)定,在某一(3.) 改善及預(yù)防措施點(diǎn)電流集中，該點(diǎn)所處單元電流的增加使得串聯(lián)在該單元上的REi上的壓降也隨之增加，從而使真正作用在該單元發(fā)射結(jié)上的壓降隨之減小，進(jìn)而使通過該單元的電流自動(dòng)減小，避免了電流

54、進(jìn)一步增加而誘發(fā)的二次擊穿。3. 二次擊穿原因分析及改善措施95第95頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.7 二次擊穿和安全工作區(qū)(3.) 改善及預(yù)防措施發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻取值： 當(dāng)發(fā)射結(jié)結(jié)溫變化為5K時(shí)，鎮(zhèn)流電阻要能將發(fā)射極電流的變化限制在5%以內(nèi)。3. 二次擊穿原因分析及改善措施 鎮(zhèn)流電阻過大，本身消耗功率，增益（輸出功率）下降；過小起不到鎮(zhèn)流作用。96第96頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.7 二次擊穿和安全工作區(qū)(3.) 改善及預(yù)防措施3. 二次擊穿原因分析及改善措施采用鎮(zhèn)流電阻的方式：97第97頁，共116頁，2022年，5月20

55、日，14點(diǎn)40分，星期一4.7 二次擊穿和安全工作區(qū)(3.) 改善及預(yù)防措施3. 二次擊穿原因分析及改善措施98第98頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.7 二次擊穿和安全工作區(qū)二、雪崩注入二次擊穿 (1.)機(jī)理分析 (2.) 擊穿條件 (3.) 雪崩注入二次擊穿臨界線 （4.）改善或消除措施這是一種與外延層厚度密切相關(guān)的二次擊穿。這種二次擊穿是由集電結(jié)內(nèi)的電場(chǎng)分布及雪崩倍增區(qū)隨Ic變化，倍增多子反向注入勢(shì)壘區(qū)而引起的，故稱為雪崩注入二次擊穿。（快速型二次擊穿）VceBVceoJc=Jco=qvslNcVceBVceo;nNc空穴注入n-區(qū)3. 二次擊穿原因分析及改

56、善措施99第99頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一100第100頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.7 二次擊穿和安全工作區(qū)Vce增大,EEM一次雪崩擊穿Jc,Jc=Jco=qvslNcn=Nc,電場(chǎng)均勻分布VceBVceo, nNc, 最大場(chǎng)強(qiáng)轉(zhuǎn)移到x=Wc處雪崩空穴流過n-區(qū),中和電子Vce下降，電流急劇上升二次擊穿雪崩注入二次擊穿?電壓作用產(chǎn)生電荷,電荷支持電場(chǎng)3. 二次擊穿原因分析及改善措施101第101頁，共116頁，2022年，5月20日，14點(diǎn)40分，星期一4.7 二次擊穿和安全工作區(qū)電流:Jc=Jco=qvslNc 或ISB=JcoAc電壓:VSB=EMWc二、雪崩注入二次擊穿 (2.) 擊穿條件 (3.) 雪崩注入二次擊穿臨界線 （4.）改善或消除措施 當(dāng)x=0處達(dá)到EM時(shí)，發(fā)生雪崩使nNc，若沒有VSB維持Wc內(nèi)的EM，則不能維持雪崩（為強(qiáng)場(chǎng)下的有效基區(qū)擴(kuò)展）。若VSB