半導(dǎo)體器件物理雙極型晶體管功率特性

關(guān)于半導(dǎo)體器件物理雙極型晶體管功率特性第一頁，共三十四頁，2022年，8月28日4－1基區(qū)串聯(lián)電阻RB一、基區(qū)串聯(lián)電阻RB的組成特點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)作是由一個電阻產(chǎn)生的，則稱這個電阻為基極電阻，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，對晶體管的特性會產(chǎn)生明顯的影響。第二頁，共三十四頁，2022年，8月28日基極電阻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）rB1

所以：

第三頁，共三十四頁，2022年，8月28日2、基區(qū)串聯(lián)電阻RB的特點(1)對多子電流IB呈現(xiàn)的電阻（基極電流為多子電流）；(2)實際基區(qū)串聯(lián)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(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(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。第四頁，共三十四頁，2022年，8月28日二、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，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，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）第五頁，共三十四頁，2022年，8月28日三、方塊電阻的計算

對于均勻材料，

對于沿厚度方向(x方向)不均勻的材料第六頁，共三十四頁，2022年，8月28日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(shù)，即第七頁，共三十四頁，2022年，8月28日四、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：

以上兩個措施會降低電流增益，降低發(fā)射結(jié)擊穿電壓，提高發(fā)射結(jié)勢壘電容3、減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)第八頁，共三十四頁，2022年，8月28日4－2發(fā)射極電流集邊效應(yīng)與晶體管圖形設(shè)計一、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)等效電路第九頁，共三十四頁，2022年，8月28日(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(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)面上的實際偏置電壓（VBE）J

外加在BE電極上偏壓（VBE）A，

實際落在BE結(jié)上的電壓（VBE）J

則：?（VBE）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。

第十頁，共三十四頁，2022年，8月28日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，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，會導(dǎo)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。第十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日二、晶體管發(fā)射區(qū)設(shè)計1、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(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(工程實用數(shù)據(jù))①線性放大應(yīng)用ICMI<0.05mA/um②功率放大應(yīng)用ICMI<0.04mA/um③開關(guān)應(yīng)用ICMI<0.4mA/um且隨頻率增加而減小。第十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日2、發(fā)射極條長的限制（選講）

發(fā)射極條長的自偏壓效應(yīng)

電極的根部到端部的電壓差等于KT/e時對應(yīng)的條長Leff3、最小尺寸晶體管DR（designrule）4、功率NPN晶體管發(fā)射區(qū)圖形結(jié)構(gòu)(1)梳狀圖形結(jié)構(gòu)

晶體管的發(fā)射區(qū)分成許多分離的細(xì)條，排列在基區(qū)內(nèi)，發(fā)射極電極和基極電極像兩把梳子相互交叉插入，因而成為梳狀結(jié)構(gòu)。

第十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日第十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日三、梳狀結(jié)構(gòu)晶體管版圖設(shè)計1、版圖設(shè)計應(yīng)該滿足的條件(1)工作電流(2)版圖設(shè)計規(guī)則2、版圖設(shè)計思路(1)按照工作電流要求確定發(fā)射極總條長

由集電極最大電流Icm和單位條長上的最大允許電流IcmI確定發(fā)射極的總周長。IcmI的一組經(jīng)驗數(shù)值：

0.8~1.6A/cm20~40MHz0.4~0.8A/cm400MHz~2GHz1.6~4A/cm開關(guān)晶體管第十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日(2)確定單個發(fā)射區(qū)尺寸

①按照設(shè)計規(guī)則確定條寬

②按照允許的最長發(fā)射極條長確定條長(3)按照發(fā)射極總條長要求以及單根發(fā)射極條長確定發(fā)射極條的數(shù)目(4)按照設(shè)計規(guī)則確定其他版圖尺寸第十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日四、BJT特有的擊穿現(xiàn)象：外延層穿通1、外延結(jié)構(gòu)晶體管(1)常規(guī)晶體管結(jié)構(gòu)存在的功率與頻率特性矛盾

要提高晶體管的功率特性，其實質(zhì)就是提高晶體管耐受的電流和電壓值，即要求提高IC、VCE、BVCEO、BVCBO，因此需要降低集電區(qū)摻雜濃度NC。

但另一方面，NC的降低，會使得集電區(qū)串聯(lián)電阻rC提高，從而使得四個時常數(shù)中的τC增大，使得晶體管特征頻率fT降低。(2)外延結(jié)構(gòu)晶體管的特點N-外延，滿足了提高擊穿特性的要求，N+襯底使得rC降低，使頻率特性得到提高，較好的解決了晶體管功率與頻率的矛盾

外延加平面工藝，引發(fā)了IC的飛速發(fā)展。第十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日2、外延層穿通(1)外延層穿通現(xiàn)象

外延層厚度太薄時，造成集電區(qū)厚度Wc過薄，當(dāng)集電結(jié)發(fā)生雪崩擊穿之前，空間電荷區(qū)xdc已擴(kuò)展到襯底n+層，即出現(xiàn)外延層穿通。

(2)外延層穿通時的BC結(jié)擊穿電壓

上式中，BV為由集電區(qū)電阻率決定的擊穿電壓

（Xd）m為擊穿電壓等于BV時的耗盡層寬度WC為集電區(qū)厚度

P-N-（外延層）-N+（襯底）外延結(jié)構(gòu)的擊穿電壓，低于BV（P-N-），高于BV（P-N+）。

參考：P-N+擊穿電壓變小的原因，重?fù)诫s區(qū)對電場起“屏蔽”作用，即空間電荷區(qū)集邊不向重?fù)诫s區(qū)再擴(kuò)展，這樣使得再增加的電場都疊加在原來的空間電荷區(qū)上，使得空間電荷區(qū)中電場強(qiáng)度升高的更厲害，從而導(dǎo)致?lián)舸╇妷航档?。第十八頁，共三十四頁?022年，8月28日3、外延層參數(shù)的設(shè)計考慮(1)根據(jù)BVCBO的要求確定外延層電阻率，確保工作期間不出現(xiàn)BC結(jié)擊穿。已有實際經(jīng)驗數(shù)據(jù)可供參考。(2)按照BC結(jié)擊穿時不出現(xiàn)外延層穿通的要求確定外延層厚度。芯片總厚度等于外延層厚度和襯底厚度之和。

外延層厚度（Wepi）主要由集電結(jié)結(jié)深xjc，集電區(qū)厚度、襯底雜質(zhì)范擴(kuò)散深度XR、表面SiO2消耗的厚度決定。第十九頁，共三十四頁，2022年，8月28日雙極晶體管安全工作區(qū)游海龍第二十頁，共三十四頁，2022年，8月28日一、雙極晶體管的二次擊穿1、二次擊穿現(xiàn)象以零偏為例：當(dāng)電壓VCE增大到D點時，集電結(jié)發(fā)生雪崩效應(yīng)，晶體管電流上升到B點，經(jīng)過一短暫的時間后，電壓將會突然減小到E點，同時電流急劇增大，如果沒有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施（限流措施），電流將會繼續(xù)增大，從而造成晶體永久性損傷。第二十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日二次擊穿：晶體管從高電壓小電流向低電壓大電流躍變并伴隨著電流急劇增大的現(xiàn)象，稱為二次擊穿。2、二次擊穿的特點首先集電結(jié)的反偏電壓達(dá)到一定值，使其出現(xiàn)雪崩擊穿，即一次擊穿。一次擊穿的特點，在電流急劇增加的過程中，集電結(jié)維持電壓基本保持不變。在二次擊穿點（B點）停留的時間稱為二次擊穿的延遲時間。存在延遲時間表明，從一次擊穿到二次擊穿，在晶體管內(nèi)部需要積累和消耗一定能量。二次擊穿耐量

。對于不同類型的二次擊穿，這一延遲時間的長短相差很大。短的幾乎瞬時，長的us數(shù)量級。從B點到E點的過渡幾乎是瞬時的，晶體管的狀態(tài)不可能穩(wěn)定在B-E這一區(qū)域內(nèi)，而且，E點不可逆。即使晶體管回到觸發(fā)前的狀態(tài)，但重復(fù)幾次仍然會使晶體管變成永久性失效。在E點的電壓稱為二次擊穿的維持電壓。維持電壓一般都在10~15V左右。第二十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日3、二次擊穿的機(jī)理

二次擊穿主要是由于芯片內(nèi)部局部過熱引起的。

在正向偏置時，溫度升高主要是由熱不均衡性引起的。由于晶體管的結(jié)面上有缺陷和參數(shù)分布不均勻，導(dǎo)致電流分布不均勻，從而因此溫度分布不均勻。溫度高的局部區(qū)域載流子濃度將增加，使電流更加密集，這種惡性循環(huán)形成熱不穩(wěn)定性。如果局部區(qū)域所產(chǎn)生的熱量不能及時散發(fā)，將使電流上升失去控制，一旦溫度達(dá)到材料熔點，便造成永久性損傷。

反向偏置時，溫度升高是由雪崩擊穿引起的。由于發(fā)生一次雪崩擊穿后，在某些點上因電流密度過大，改變了結(jié)電場分布，產(chǎn)生負(fù)阻效應(yīng)，從而使局部溫度過高。

二次擊穿最終是由于局部過熱而引起的。而熱點的形成需要能量的積累，即需要一定的電壓、電流和一定的時間。因此，集電極電壓、電流、負(fù)載性質(zhì)、導(dǎo)通脈沖寬度、基極電路的配置以及材料、工藝等因素都對二次擊穿有一定影響。第二十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日4、二次擊穿對晶體管安全工作范圍的限制5、避免二次擊穿的措施1）避免電流集邊效應(yīng)2）加鎮(zhèn)流電阻（在發(fā)射極上）形成負(fù)反饋二次擊穿在正偏（IB>0）、反偏（IB<0）和基極開路(IB=0)狀態(tài)下都存在。不同條件下二次擊穿觸發(fā)點的連線稱為二次擊穿臨界線或二次擊穿功耗線。二次擊穿臨界線限定了發(fā)生二次擊穿的工作區(qū)域。第二十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日3）增加集電區(qū)寬度WC，一般考慮到頻率特性，一般采用多層集電區(qū)結(jié)構(gòu)。選取雜質(zhì)濃度n+>n2>n14）加入嵌位二極管，使BVdiode<BVCBO第二十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日肖特基箝位BJT與NPN晶體管的對比NPN晶體管肖特基箝位晶體管第二十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日二、晶體管的最大功耗與熱阻1、晶體管功耗與結(jié)溫

當(dāng)晶體管工作時，電流流過發(fā)射結(jié)、集電結(jié)和體串聯(lián)電阻都會產(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。第二十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日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，使得器件無法正常工作，此時對應(yīng)的溫度為最高結(jié)溫Tjm。第二十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日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，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，結(jié)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(jié)溫就愈高。在熱穩(wěn)定狀態(tài)下，單位時間內(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。任意兩點間的溫差與其熱流之比，稱為兩點間的熱阻。第二十九頁，共三十四頁，2022年，8月28日(1)穩(wěn)態(tài)熱阻：熱穩(wěn)定狀態(tài)下的熱阻，此時耗散功率產(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間變化的，結(jié)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：

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