雙極晶體管2的學(xué)習(xí)教案

雙極晶體管2的學(xué)習(xí)教案第1頁/共79頁基極電阻通常稱為基極擴展電阻。晶體管的基極電流平行于結(jié)平面。當(dāng)基極電流流過基區(qū)時，將產(chǎn)生平行于結(jié)面的橫向壓降，使發(fā)射結(jié)偏壓從邊緣到中心逐漸減小，產(chǎn)生發(fā)射結(jié)電流的集邊效應(yīng)。第2頁/共79頁第3頁/共79頁梳狀晶體管的基極電阻由四部分組成：發(fā)射區(qū)下面的電阻，發(fā)射區(qū)和基極金屬電極之間的電阻，基極金屬電極下面部分的電阻及基極金屬電極與半導(dǎo)體的接觸電阻。

第4頁/共79頁發(fā)射區(qū)下面的基極電流分布是不均勻的，在發(fā)射區(qū)邊沿基極電流為(考慮到有兩條基極)，而在發(fā)射區(qū)中心，基極電流近似為0。假定基極電流是線性分布的，并令坐標(biāo)原點在發(fā)射區(qū)邊沿上，此時IB可寫為：(3-205)（3-206）則dx長的基區(qū)微分電阻為：第5頁/共79頁

（3-207）將上式從0到x積分，并取處電位為零，可得：（3-208）基區(qū)平均電壓：（3-209）第6頁/共79頁（3-210）（3-211）（3-212）

為發(fā)射極與基極間的電阻，因通過這部分的基極電流是均勻的；

是基極金屬電極下面的電阻，這一部分區(qū)域內(nèi)的電流是不均勻分部的：第7頁/共79頁

為基極金屬電極與半導(dǎo)體材料的歐姆接觸電阻

（3-213）RC為金屬與半導(dǎo)體材料的歐姆接觸系數(shù)。

因此，梳狀晶體管每個單元的基極電阻為：

（3-214）

具有n條發(fā)射極的梳狀晶體管的基極電阻為n個單元的基極電阻的并聯(lián)：（3-215）第8頁/共79頁第9頁/共79頁二．晶體管的頻率特性1.小信號交流等效電路

第10頁/共79頁跨導(dǎo)(在放大狀態(tài)下)：反應(yīng)了發(fā)射結(jié)電壓對集電極電流的調(diào)解輸入電導(dǎo)：第11頁/共79頁2.電流增益隨頻率變化（1）隨工作頻率變化共發(fā)射交流短路電流增益第12頁/共79頁（2）隨工作頻率變化隨頻率變化的物理原因：輸入交變信號→發(fā)射結(jié)勢壘變化→注入電流發(fā)生變化→基區(qū)輸運交變信號→濃度梯度發(fā)生相應(yīng)變化→越過耗盡區(qū)→集電區(qū)電阻調(diào)節(jié)→影響集電極電壓第13頁/共79頁最高振蕩頻率截止頻率（共基極截止頻率）：截止頻率（共發(fā)射極截止頻率）：特征頻率第14頁/共79頁

截止頻率A.基區(qū)渡越時間設(shè)基區(qū)少子—電子的有效速度為,基區(qū)電子電流:(3-219)(3-220)(3-221)第15頁/共79頁

對均勻基區(qū)：

(3-222)（3-223）第16頁/共79頁B.發(fā)射結(jié)過渡電容充電時間正向偏置的發(fā)射結(jié)擴散電容和勢壘電容估計為零偏時的四倍。電容與結(jié)電阻并聯(lián)，充電時間：

(3-224)C.集電結(jié)耗盡層渡越時間假設(shè)載流子達(dá)到飽和速度

(3-225)第17頁/共79頁D.集電結(jié)電容充電時間

（3-227）截止頻率等于從發(fā)射極到集電極的信號傳播中全部時間延遲的倒數(shù)（3-226）集電結(jié)反偏時與結(jié)電容并聯(lián)的電阻很大，充電時間由集電極串聯(lián)電阻和電容決定。第18頁/共79頁截止頻率：一般高頻晶體管中，基區(qū)渡越時間起主要作用。m為常數(shù)，對均勻基區(qū)晶體管，m=0.22弧度；漂移晶體管管m=0.4。第19頁/共79頁第20頁/共79頁特征頻率：第21頁/共79頁晶體管的功率增益與最高震蕩晶體管的特征頻率是共發(fā)射極運用晶體管的電流放大作用的上限頻率，但管子仍有功率放大和電壓放大作用。晶體管的功率不僅與載流子的傳輸有關(guān)，而且與管子的幾何結(jié)構(gòu)，外電路匹配狀態(tài)有密切關(guān)系。在共扼匹配的情況下：

第22頁/共79頁晶體管的功率增益隨頻率升高而下降的根本原因是晶體管的電流電流放大系數(shù)隨頻率升高而下降和晶體管的輸出阻抗隨頻率升高而下降。高頻優(yōu)值，只與晶體管的性質(zhì)有關(guān)，是衡量晶體管高頻特性優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)。工作頻率增加一倍，功率下降至。

最高振蕩頻率：第23頁/共79頁3.晶體管的交流特性發(fā)射結(jié)和集電結(jié)電壓分別等于其直流偏置電壓和交流信號電壓的迭加。當(dāng)輸入為正交變電壓時：(3-216)(3-217)(3-218)第24頁/共79頁4.晶體管的高頻參數(shù)與等效電路

從電路理論角度看，不必涉及晶體管內(nèi)部載流子運動的復(fù)雜過程，只需知道兩個輸入端與兩個輸出端的電壓與電流的關(guān)系。晶體管表示成等效電路形式，正是為了適應(yīng)電路分析的需要。在交流小信號狀態(tài)下，晶體管的輸出信號隨輸入信號近似按線性關(guān)系變化，所以可以將晶體管等效為一線性二端網(wǎng)絡(luò)。在四個參數(shù)中只有二個是獨立變量，選用不同的自變量和因變量，可得到不同的參數(shù)方程，當(dāng)選取VE和VC為自變量時，可得Y參數(shù)方程。第25頁/共79頁Y參數(shù)是最基本的晶體管參數(shù)，由晶體管交流電流、電壓基本方程導(dǎo)出。

(3-228)(3-229)YEE和YCC為共基極輸入和輸出導(dǎo)納。YCE和YEC為正向和反向轉(zhuǎn)移導(dǎo)納Y參數(shù)均是在短路狀態(tài)下通過計算或測定的導(dǎo)納參數(shù)

第26頁/共79頁當(dāng)選取輸入電流IE和輸出電壓VC為自變量時，得h參數(shù)方程。

(3-230)(3-231)當(dāng)選取輸入電流IE和輸出電流IC為自變量時，得Z參數(shù)方程。Z參數(shù)表示一端開路時，另一端電壓與電流比。因此Z參數(shù)為開路阻抗參數(shù)。Y參數(shù)、h參數(shù)和Z參數(shù)等實質(zhì)上是在晶體管的端點間選擇不同的測試條件得出的，它們都由晶體管自身的物理結(jié)構(gòu)決定，因此可以互換。從晶體管的電流、電壓方程可推導(dǎo)出Y參數(shù)、h參數(shù)和Z參數(shù)。第27頁/共79頁混接等效電路代表工作在共發(fā)射極連接正向放大狀態(tài)的晶體管跨導(dǎo)：反映發(fā)射結(jié)電壓對集電極電流的調(diào)節(jié)作用（3-232）第28頁/共79頁第29頁/共79頁

（3-233）當(dāng)時：（3-234）（3-235）（3-236）第30頁/共79頁

（3-237）（3-238）（3-239）（3-240）（3-241）第31頁/共79頁

再加上耗盡層電容，混接等效電路共發(fā)射極短路電流增益的截止頻率：

（3-242）對增益—帶寬乘積：（3-243）與均勻基區(qū)晶體管的基區(qū)渡越時間的倒數(shù)相等第32頁/共79頁5.晶體管開關(guān)特性除了用作放大器之外，晶體管還可用作通—斷開關(guān)?！巴ā焙汀皵唷眱蓚€狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換是通過改變載流子的分布來完成的。第33頁/共79頁第34頁/共79頁第35頁/共79頁第36頁/共79頁儲存時間結(jié)束，超量儲存電荷完全消失，晶體管進(jìn)入臨界飽和狀態(tài)，集電極電流Ic=Ics，開關(guān)過程進(jìn)入下降過程。在下降過程中，IB2繼續(xù)抽出空穴，基區(qū)中電子和空穴不斷復(fù)合，使基區(qū)中積累的電荷繼續(xù)減少，基區(qū)中非平衡載流子分布梯度減少，集電極電流不斷下降。當(dāng)基區(qū)中儲存電荷完全消失，集電極電流降為反向漏電流，下降結(jié)束。第37頁/共79頁下降過程中，集電結(jié)由0偏壓轉(zhuǎn)變?yōu)榉雌珘?，發(fā)射結(jié)正偏壓下降。集電結(jié)、發(fā)射結(jié)勢壘電容放電，它們釋放的空穴與基區(qū)儲存的空穴一起，成為基極抽出電流和基區(qū)復(fù)合電流的來源。下降過程的連續(xù)性方程：第38頁/共79頁提高晶體管的開關(guān)特性：與晶體管開關(guān)速度有關(guān)的因數(shù)主要是發(fā)射結(jié)、集電結(jié)勢壘電容沖放電和儲存電荷的建立與消失，一是可通過結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選取和特定擴金工藝解決；二是通過控制驅(qū)動電流IB1和抽出電流IB2，提高開關(guān)速度。晶體管四個開關(guān)時間中儲存時間最長，降低儲存時間即超量載流子盡快消失的有效辦法是降低少子壽命和加大抽出電流。減少外延層電阻率和厚度：降低少子壽命、降低儲存電荷減少發(fā)射結(jié)和集電結(jié)面積采用淺結(jié)擴散、減薄基區(qū)選取適當(dāng)?shù)幕鶚O電流第39頁/共79頁三．晶體管的功率特性

要求功率晶體管內(nèi)部能承受較大的耗散功率并盡可能獲得較大的輸出功率和較大的功率增益。晶體管的功率特性受到電學(xué)特性和熱學(xué)特性兩方面的限制。電學(xué)特性方面的限制有：最大集電極工作電流，擊穿電壓和二次擊穿電壓熱學(xué)方面的限制有：最高工作結(jié)溫和最大耗散功率第40頁/共79頁上述參數(shù)給出了晶體管的安全工作區(qū)：集電極最大電流；二次擊穿；擊穿電壓；熱學(xué)方面的限制有：最高工作結(jié)溫和最大耗散功率。第41頁/共79頁1.最大集電極電流：晶體管工作電流過大時導(dǎo)致電流放大系數(shù)和截止頻率都下降，從而限制了輸出功率。晶體管大注入效應(yīng)：（1）基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)：大注入時，注入到基區(qū)的少子不能忽略；基區(qū)多子濃度梯度分布與注入的少子一樣；基區(qū)電阻率顯著下降。第42頁/共79頁引起基區(qū)中多子同樣程度增加，其效應(yīng)相當(dāng)于基區(qū)中雜質(zhì)濃度增加，從而導(dǎo)致發(fā)射效率降低。為注入比第43頁/共79頁發(fā)射效率隨發(fā)射極電流增加而降低的物理模型是：注入到基區(qū)的少子增加，引起基區(qū)中多子以同樣程度的增加，其效應(yīng)相當(dāng)于基區(qū)中雜質(zhì)濃度增加，從而導(dǎo)致發(fā)射效率降低。第44頁/共79頁（3）有效基區(qū)擴展效應(yīng)（克爾克效應(yīng)）：（2）大注入自建電場：大注入對基區(qū)渡越時間的影響，對均勻基區(qū)晶體管，基區(qū)只存在大注入自建電場，載流子受到的漂移作用隨注入的增加而增強，使基區(qū)渡越時間隨注入增加而減少?；鶇^(qū)渡越時間減少一半。

在電流密度大的狀態(tài)下，晶體管的有效基區(qū)將擴展。由于基區(qū)渡越時間隨擴展基區(qū)寬度增大，即隨集電極電流的增大而迅速增長，使電流放大系數(shù)隨電流增大而快速下降。第45頁/共79頁電流放大系數(shù)隨注入的變化由發(fā)射效率項和復(fù)合電流項共同作用決定。電流放大系數(shù)隨發(fā)射效率下降而減小，隨基區(qū)輸運系數(shù)的增加而上升。當(dāng)注入電流增大到基區(qū)輸運系數(shù)的增加和發(fā)射效率下降作用相互抵消時，電流放大系數(shù)達(dá)到最大值。第46頁/共79頁在外延平面晶體管中，從發(fā)射結(jié)注入的少數(shù)載流子，在通過集電結(jié)空間電荷區(qū)時，對耗盡層中的正負(fù)空間電荷分別起中和和添加作用，使N側(cè)的正空間電荷減少，P區(qū)的負(fù)空間電荷增多，因此空間電荷區(qū)的邊界隨注入電流的變化而移動。第47頁/共79頁(4)發(fā)射極電流集邊效應(yīng)

A．為了減少基區(qū)橫向壓降，有效降低發(fā)射極電流集中應(yīng)減少基區(qū)的薄層電阻，減少發(fā)射極條寬；規(guī)定從發(fā)射結(jié)中心到邊緣，基區(qū)橫向壓降變化時的條寬為發(fā)射極有效條寬。

B．發(fā)射極單位周長上的電流容量由于電流集邊效應(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，由大注入產(chǎn)生的基區(qū)擴展效應(yīng)將首先在邊界上發(fā)生。為了防止基區(qū)擴展效應(yīng)，須合理選取發(fā)射條周界上的電流容量。第48頁/共79頁

(3-349)

為晶體管的最大限制電流密度一般放大晶體管：開關(guān)管：C．發(fā)射極有效條長當(dāng)發(fā)射極電流流過金屬電極時，在金屬電極上產(chǎn)生壓降。為了防止金屬條長方向上的電流集中效應(yīng)，將條長方向上的壓降限制在以內(nèi)。此條長為發(fā)射極有效條長。第49頁/共79頁

集電極最大電流晶體管的最大電流受基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)、有效基區(qū)擴展效應(yīng)的限制。而發(fā)射極電流集邊效應(yīng)使發(fā)射極有效面積縮小，電流密度升高，使基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)、有效基區(qū)擴展效應(yīng)更為嚴(yán)重。注入到基區(qū)-發(fā)射結(jié)勢壘邊界上的少數(shù)載流子密度達(dá)到基區(qū)雜質(zhì)密度時的發(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：

第50頁/共79頁有效基區(qū)擴展效應(yīng)決定的集電極最大電流密度定為基區(qū)開始擴展時的臨界電流密度：

（3-352）2.晶體管的最大耗散功率

晶體管的輸出功率，除受到電學(xué)參數(shù)限制外，還受到熱學(xué)參數(shù)的限制，這是由于電流的熱效應(yīng)使晶體管消耗一定的功率，引起管芯發(fā)熱，此熱量通過半導(dǎo)體、管殼等途徑散到管外，稱為晶體管的耗散功率。最大耗散功率是晶體管的主要熱限制參數(shù)。第51頁/共79頁A耗散功率和最高結(jié)溫總耗散功率為：

（3-352）由材料電阻率決定的最高結(jié)溫：

K（Ge）

（3-235）

K（si）（3-236）

第52頁/共79頁B晶體管的熱阻晶體管的散熱方式有三種：輻射、對流和傳導(dǎo)。由于管芯面積很小，一般晶體管的散熱方式為熱傳導(dǎo)。熱學(xué)與電學(xué)之間的相應(yīng)關(guān)系:熱學(xué)電學(xué)溫度T(℃)電位V(V)

熱流PC(W)電流I(A)

熱阻RT(℃/W)電阻R(Ω)

熱導(dǎo)率k電導(dǎo)率σ第53頁/共79頁在限定結(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。用熱阻表示晶體管的散熱能力。(1)

在溫差為T1一T2的兩個截面之間，有熱流PC流過，溫差與熱流之比為該區(qū)域的熱阻。當(dāng)材料、截面積和厚度確定后，熱阻為一常數(shù)。

第54頁/共79頁4．二次擊穿和安全工作區(qū)二次擊穿是功率晶體管早期失效和損壞的主要原因當(dāng)Vce增大到集電結(jié)的雪崩擊穿時，發(fā)生雪崩擊穿；雪崩擊穿后，集電電流隨電壓增大而快速上升；當(dāng)電流增大到一定值后，經(jīng)短暫停留后，將躍變?yōu)榈蛪捍箅娏?。若電路中無限流措施，電流將繼續(xù)增大，直至燒毀。二次擊穿臨界功率：

低壓下：

高壓下：

第55頁/共79頁二次擊穿在正偏(IB>0)、反偏(IB<0)和基極開路二次擊穿觸發(fā)點的連線為二次擊穿功耗線或二次擊穿臨界線。第56頁/共79頁晶體管二次擊穿具有以下特點：

A在二次擊穿觸發(fā)點停留時間（二次擊穿延遲時間），對不同類型的二次擊穿，這時間的相差很大。長的超過一百毫秒，短的幾乎是瞬間。

B從B到E的過渡幾乎是瞬時的，而且不是一種穩(wěn)態(tài)；

CE點的電壓稱為二次擊穿維持電壓，不管觸發(fā)點的電流電壓是多少，一旦進(jìn)入二次擊穿，則維持電壓都在10~15V之間。二次擊穿機理：（1）

熱不穩(wěn)定性理論熱不穩(wěn)定性引起的二次擊穿其延遲時間較長。

（2）

雪崩注入理論第57頁/共79頁防止二次擊穿的措施A采用發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻第58頁/共79頁B采用多層集電區(qū)或適當(dāng)增加高阻集電區(qū)的厚度

第59頁/共79頁安全工作區(qū)第60頁/共79頁A．集電極最大電流ICM脈沖狀態(tài)下集電極最大電流ICM比直流時大1.5~3倍，這取決于脈沖持續(xù)時間和占空比。B．集電極最大耗散功率PCM

在直流工作時取決于穩(wěn)態(tài)熱阻，在脈沖工作中取決于瞬態(tài)熱阻。C．二次擊穿功耗PSB

：實驗測定

第61頁/共79頁六．晶體管的設(shè)計晶體管的設(shè)計就是根據(jù)使用要求，確定主要電學(xué)參數(shù)及其指標(biāo)，設(shè)計出滿足參數(shù)指標(biāo)要求的縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)、橫向結(jié)構(gòu)參數(shù)和熱學(xué)參數(shù)。1．電學(xué)參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系晶體管的主要電學(xué)參數(shù)主要分為三大類：直流參數(shù)、交流參數(shù)和極限參數(shù)。

（1）直流參數(shù)①

共發(fā)射極電流放大系數(shù)：主要與、、有關(guān)②

反向飽和電流：主要由壽命和耗盡區(qū)寬度決定。③

飽和壓降：主要與、有關(guān)④

輸入正向壓降：主要與第62頁/共79頁（2）交流參數(shù)

a特征頻率：由傳輸延遲時間決定

b功率增益：主要由、、決定

c開關(guān)時間和：主要與、、基區(qū)和集電區(qū)少子壽命和集電區(qū)厚度有關(guān)

d躁聲系數(shù)：主要由和決定第63頁/共79頁（3）極限參數(shù)①擊穿電壓、、：主要由、和決定；主要由發(fā)射結(jié)側(cè)壁基區(qū)表面濃度決定。

②集電極最大電流：與發(fā)射極總周長，集電區(qū)摻雜濃度

和、有關(guān)③最大耗散功率：主要與熱阻有關(guān)第64頁/共79頁④二次擊穿耐量：主要與、和鎮(zhèn)流電阻有關(guān)設(shè)計步驟和內(nèi)容

（1）根據(jù)使用要求選定主要電學(xué)參數(shù)指標(biāo)；（2）在現(xiàn)有工藝水平的基礎(chǔ)上進(jìn)行初步設(shè)計；

（3）根據(jù)初步設(shè)計方案對電學(xué)參數(shù)進(jìn)行驗算；

（4）進(jìn)行試制；

主要設(shè)計內(nèi)容：A主要電學(xué)參數(shù)指標(biāo)確定器件的縱向結(jié)構(gòu)參數(shù)，如集電區(qū)厚度

WC，基區(qū)寬度WB等；第65頁/共79頁B設(shè)計指標(biāo)確定器件的圖形結(jié)構(gòu)，設(shè)計出器件的橫向參數(shù)，給出光刻版圖；C選取材料，確定材料參數(shù)：如電阻率、摻雜類型等；D制定工藝方案；E進(jìn)行熱學(xué)設(shè)計，選擇封裝形式及散熱方式。

3．縱