半导体器件物理双极型晶体管功率特性

双极晶体管的功率特性游海龙4－1基区串联电阻RB•一、基区串联电阻RB的组成特点1、基区串联电阻RB的组成如果把基极电流IB从基极引线经非工作基区流到工作基区所产生的电压降，当作是由一个电阻产生的，则称这个电阻为基极电阻，用rB表示。由于基区很薄，rB的截面积很小，使rB的数值相当可观，对晶体管的特性会产生明显的影响。•基极电阻rB大致由下面四部分串联构成：(1)基极金属电极与基区的欧姆接触电阻rcon(2)基极接触处到基极接触孔边缘的电阻rB3(3)基极接触孔边缘到工作基区边缘的电阻rB2(4)工作基区的电阻（发射极正下方）rB1•所以：con321BBBBrrrrr•2、基区串联电阻RB的特点(1)对多子电流IB呈现的电阻（基极电流为多子电流）；(2)实际基区串联电阻RB由四部分组成；(3)多子电流IB流动方向上的截面积很小导致RB1较大；(4)RB3和RB1是“分布电阻”不能采用常规的电阻计算公式。•注：流过普通电阻的电流时均匀的，而流过基极电阻的电流是不均匀的，产生的压降也不均匀，因而基区电阻一般采用平均电压法或平均功率法。•二、基区串联电阻RB的影响1、由基区自偏压效应导致的电流集边效应晶体管工作在大电流状态时，较大的基极电流流过基极电阻，将在基区中产生较大的横向压降，使发射结的正向偏置电压从边缘到中心逐渐减小，发射极电流密度则由中心到边缘逐渐增大，由此而产生发射极电流集边效应（也称为基区电阻自偏压效应）。2、使输入阻抗增大3、在线路应用中形成反馈（影响晶体管的功率特性和频率特性）•三、方块电阻的计算对于均匀材料，对于沿厚度方向(x方向)不均匀的材料11LRL口0011ddWWRxqNx口•对于矩形的薄层材料，总电阻就是R口乘以电流方向上的方块个数，即(LLRRRWdd口口方块个数）•四、降低RB的措施1、增大基区掺杂浓度（适当）2、增大基区宽度（适当）注：以上两个措施会降低电流增益，降低发射结击穿电压，提高发射结势垒电容3、减小电极条的宽度以及电极条之间的间距（取决于光刻工艺水平）4、采用双基极条结构4－2发射极电流集边效应与晶体管图形设计•一、发射极电流集边效应1、基区自偏压效应(1)考虑基区电阻的EB结等效电路(2)基区自偏压晶体管工作在大电流状态时，较大的基极电流流过基极电阻，将在基区中产生较大的横向压降，使发射结的正向偏置电压从边缘到中心逐渐减小，发射极电流密度则由中心到边缘逐渐增大，称为基区电阻自偏压效应（也称为发射极电流集边效应）。(3)EB结面上的实际偏置电压（VBE）J外加在BE电极上偏压（VBE）A，实际落在BE结上的电压（VBE）J则：•（VBE）A（VBE）J；•BE结上不同位置，（VBE）J不同。注：由于发射区重掺杂，可认为是等电位的。•2、发射极电流集边效应(1)发射极电流集边效应晶体管工作在大电流状态时，较大的基极电流流过基极电阻，将在基区中产生较大的横向压降，使发射结的正向偏置电压从边缘到中心逐渐减小，发射极电流密度则由中心到边缘逐渐增大，称为发射极电流集边效应。(2)电流集边效应的影响•发射区边缘处电流密度较大，易导致局部过热；•发射区边缘处电流密度较大，易导致局部大注入效应；•发射极电流不均匀，会导致发射区下方的横向基极电流不均匀，故研究实际的横向电压降随距离的变化需用二维分析。•二、晶体管发射区设计1、单位发射区条长允许的最大电流(1)考虑问题的出发点由于电流集边效应，发射极边上的电流密度将大于发射结上的平均电流密度，由大注入而产生的基区扩展效应将首先在边界上发生。为防止基区扩展效应，需合理选取发射条周界上的电流容量。(2)单位发射区条长允许的最大电流(工程实用数据)①线性放大应用ICMI0.05mA/um②功率放大应用ICMI0.04mA/um③开关应用ICMI0.4mA/um且随频率增加而减小。2、发射极条长的限制（选讲）•发射极条长的自偏压效应电极的根部到端部的电压差等于KT/e时对应的条长Leff•3、最小尺寸晶体管DR（designrule）•4、功率NPN晶体管发射区图形结构(1)梳状图形结构晶体管的发射区分成许多分离的细条，排列在基区内，发射极电极和基极电极像两把梳子相互交叉插入，因而成为梳状结构。三、梳状结构晶体管版图设计1、版图设计应该满足的条件(1)工作电流(2)版图设计规则2、版图设计思路(1)按照工作电流要求确定发射极总条长由集电极最大电流Icm和单位条长上的最大允许电流IcmI确定发射极的总周长。cmEcmIILIIcmI的一组经验数值：0.8~1.6A/cm20~40MHz0.4~0.8A/cm400MHz~2GHz1.6~4A/cm开关晶体管(2)确定单个发射区尺寸①按照设计规则确定条宽②按照允许的最长发射极条长确定条长(3)按照发射极总条长要求以及单根发射极条长确定发射极条的数目(4)按照设计规则确定其他版图尺寸四、BJT特有的击穿现象：外延层穿通•1、外延结构晶体管(1)常规晶体管结构存在的功率与频率特性矛盾要提高晶体管的功率特性，其实质就是提高晶体管耐受的电流和电压值，即要求提高IC、VCE、BVCEO、BVCBO，因此需要降低集电区掺杂浓度NC。但另一方面，NC的降低，会使得集电区串联电阻rC提高，从而使得四个时常数中的τC增大，使得晶体管特征频率fT降低。(2)外延结构晶体管的特点N-外延，满足了提高击穿特性的要求，N+衬底使得rC降低，使频率特性得到提高，较好的解决了晶体管功率与频率的矛盾外延加平面工艺，引发了IC的飞速发展。2、外延层穿通(1)外延层穿通现象外延层厚度太薄时，造成集电区厚度Wc过薄，当集电结发生雪崩击穿之前，空间电荷区xdc已扩展到衬底n+层，即出现外延层穿通。(2)外延层穿通时的BC结击穿电压上式中，BV为由集电区电阻率决定的击穿电压（Xd）m为击穿电压等于BV时的耗尽层宽度WC为集电区厚度P-N-（外延层）-N+（衬底）外延结构的击穿电压，低于BV（P-N-），高于BV（P-N+）。参考：P-N+击穿电压变小的原因，重掺杂区对电场起“屏蔽”作用，即空间电荷区集边不向重掺杂区再扩展，这样使得再增加的电场都叠加在原来的空间电荷区上，使得空间电荷区中电场强度升高的更厉害，从而导致击穿电压降低。CCdmdmWWBV=BV(2)XX（）（）•3、外延层参数的设计考虑(1)根据BVCBO的要求确定外延层电阻率，确保工作期间不出现BC结击穿。已有实际经验数据可供参考。(2)按照BC结击穿时不出现外延层穿通的要求确定外延层厚度。芯片总厚度等于外延层厚度和衬底厚度之和。外延层厚度（Wepi）主要由集电结结深xjc，集电区厚度、衬底杂质范扩散深度XR、表面SiO2消耗的厚度决定。双极晶体管安全工作区游海龙一、双极晶体管的二次击穿•1、二次击穿现象以零偏为例：当电压VCE增大到D点时，集电结发生雪崩效应，晶体管电流上升到B点，经过一短暂的时间后，电压将会突然减小到E点，同时电流急剧增大，如果没有适当的保护措施（限流措施），电流将会继续增大，从而造成晶体永久性损伤。•二次击穿：晶体管从高电压小电流向低电压大电流跃变并伴随着电流急剧增大的现象，称为二次击穿。•2、二次击穿的特点①首先集电结的反偏电压达到一定值，使其出现雪崩击穿，即一次击穿。一次击穿的特点，在电流急剧增加的过程中，集电结维持电压基本保持不变。②在二次击穿点（B点）停留的时间称为二次击穿的延迟时间。存在延迟时间表明，从一次击穿到二次击穿，在晶体管内部需要积累和消耗一定能量。二次击穿耐量。对于不同类型的二次击穿，这一延迟时间的长短相差很大。短的几乎瞬时，长的us数量级。③从B点到E点的过渡几乎是瞬时的，晶体管的状态不可能稳定在B-E这一区域内，而且，E点不可逆。即使晶体管回到触发前的状态，但重复几次仍然会使晶体管变成永久性失效。④在E点的电压称为二次击穿的维持电压。维持电压一般都在10~15V左右。3、二次击穿的机理•二次击穿主要是由于芯片内部局部过热引起的。在正向偏置时，温度升高主要是由热不均衡性引起的。由于晶体管的结面上有缺陷和参数分布不均匀，导致电流分布不均匀，从而因此温度分布不均匀。温度高的局部区域载流子浓度将增加，使电流更加密集，这种恶性循环形成热不稳定性。如果局部区域所产生的热量不能及时散发，将使电流上升失去控制，一旦温度达到材料熔点，便造成永久性损伤。反向偏置时，温度升高是由雪崩击穿引起的。由于发生一次雪崩击穿后，在某些点上因电流密度过大，改变了结电场分布，产生负阻效应，从而使局部温度过高。•二次击穿最终是由于局部过热而引起的。而热点的形成需要能量的积累，即需要一定的电压、电流和一定的时间。因此，集电极电压、电流、负载性质、导通脉冲宽度、基极电路的配置以及材料、工艺等因素都对二次击穿有一定影响。•4、二次击穿对晶体管安全工作范围的限制•5、避免二次击穿的措施1）避免电流集边效应2）加镇流电阻（在发射极上）形成负反馈二次击穿在正偏（IB0）、反偏（IB0）和基极开路(IB=0)状态下都存在。不同条件下二次击穿触发点的连线称为二次击穿临界线或二次击穿功耗线。二次击穿临界线限定了发生二次击穿的工作区域。•3）增加集电区宽度WC，一般考虑到频率特性，一般采用多层集电区结构。选取杂质浓度n+n2n1•4）加入嵌位二极管，使BVdiodeBVCBO肖特基箝位BJT与NPN晶体管的对比NPN晶体管肖特基箝位晶体管二、晶体管的最大功耗与热阻•1、晶体管功耗与结温当晶体管工作时，电流流过发射结、集电结和体串联电阻都会产生功率耗散，因此总耗散功率：正常工作状态下，发射结正偏电压VBE远小于集电结反压VCB，体串联电阻rCs也很小，因此晶体管的功率主要耗散在集电结上，耗散功率转化为热量，使集电结成为晶体管的发热中心。2***cEBECCBCCsPIVIVIr*cCCBPIV•若直流电源提供给晶体管的功率为PD，则输出功率PO=PD-PC，效率：显然电路的输出功率PO受晶体管本身耗散功率PC限制。最高结温：耗散功率转化为热量，将使集电结温度升高，本征载流子浓度随温度的升高而增大，当半导体中的本征载流子浓度接近其掺杂浓度时，使得器件无法正常工作，此时对应的温度为最高结温Tjm。OODOCPPPPP1OCPP•2、晶体管热阻耗散功率转化为热量，将使结温度升高。当结温Tjm高于环境温度时，热量就靠温差由管芯通过管壳向外散发。散发出的热量则随着温差的增大而增加。当结温上升到耗散功率能全部变成散发的热量时，结温不再上升，晶体管处于热动态平衡状态。在散发条件一定的情况下，耗散功率PC愈大，结温就愈高。在热稳定状态下，单位时间内由耗散功率转换出的热量等于向外散发的热量。在限定结温下，晶体管所能承受的耗散功率由晶体管的散热能力决定。一般用热阻来表示晶体管散热能力的大小。任意两点间的温差与其热流之比，称为两点间的热阻。(1)稳态热阻：热稳定状态下的热阻，此时耗散功率产生的热量全部通过热流进行散发。d：材料厚度K：热导率A：面积热阻同电阻一样可串联：(2)瞬态热阻：在稳定状态下，晶体管的耗散功率恒定不变，但在开关和脉冲电路中，晶体管功率都是随着时间变化的，结温和管壳温度也随时间变化，热阻变成随时间变化的瞬态热阻：CT：热容3、最大耗散功率：设环境温度Ta，最高结温Tjm，则稳态时，晶体管的最大耗散功率瞬态时TdRKATdRKA总TT-tCRTSTRR1e（-）jmaCMTTTPRTTjmajmaCMS-tTSCRTTTTTPRR1e（-）•可以看出PCMS≥PCM，在脉冲工作状态下，器件的耗散功率大于直流工作时的耗散功率。一般给定Ta=25℃的耗散功率，则环境温度为T时的耗散功率可以写为：•4、提高PCM的措施(1)降低热阻RT加散热器、减薄衬底厚度(2)提高最高结温(3)降低使用环境问题ajmCM(T)CM(T)jmaTTPPTT•三、安全工