第4章 双极型晶体管的功率特性

1微电子器件原理第4章双极型晶体管的功率特性哈尔滨工业大学（威海）微电子中心罗敏[e-mail]：5687574-8042第4章双极型晶体管的功率特性大功率晶体管工作在高电压和大电流条件下，电流增益和特征频率等比直流情况下会显著下降；本章将讨论影响功率特性的最大电流、最高电压、最大耗散功率、二次击穿等。34.1基区大注入效应对电流放大系数的影响(b)大注入时的基区少子分布npBxn(a)小注入时基区少子分布np0ppBEpp0npBxnnp0ppBpp0nBpBpBnB基区电导调制效应和自建电场4一，大注入自建电场决定。度由注入载流子的分布梯，基区中的自建电场都因此无论基区如何分布场只受大注入影响，的增大而变弱，最终电一项将随，而对非均匀基区，第于均匀基区生的自建电场，显然对是基区杂质分布梯度产其中，代入上式有度应该为：因为基区中多子空穴密为零，即：后，应该有净空穴电流场作用下达到动态平衡对多子空穴而言当在电和移两种运动，于是有：，载流子存在扩散和漂因为大注入自建电场下dxdnnEdxdNNqkTEdxdnnNqkTEnNNdxdnnNdxdNNnNNqkTnNdxdnNqkTExnxNxpdxdppqkTEdxdpDEpdxdpqDpEqJdxdnqDnEqJBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBpppppnnn01)54(1)11()(1)()()()34(1)24()14(5二，大注入下基区少子分布及电流特性小注入增大一倍。即大注入下扩散系数比，所以上式变为注入下处电子浓度。又因为大为基区靠近发射结边界，其中即分布，，可认为基区电子线性；且忽略基区复合，则有，所以电子电流为因为，对于均匀基区，解得基区电子电流式代入到电流密度方程将大注入自建电场表示)84()0()2()0()0()74(]112[0a)64]()([BBnBnEBBBBBBnBBnEnBBBBnBnBBBBBBBBnBnBWnDqJNnnWndxdnLWJJdxdnNnqDJdxdNdxdnnNdxdnNnqDJ6质分布无关。入时基区少子分布与杂时为线性分布，即大注可见，基区电子浓度此有，则可以忽略第二项，因为当大注入时，，则可解出积分，并利用边界条件将其在其可以化简为考虑在大注入情况下，在特殊情况下可求解。的非线性微分方程，但该方程是一个无解析解，则根据上式有分布设基区杂质分布为指数；所以上式变为忽略基区复合，则有，对于非均匀基区基区电子电流：)144)(1(21)()0()134)((2)0()1(21)(0)()114(2)0(2)()(])()()(2)([)()()()0()()94()(])()([)()()(b)64]()([BBnEBnBBBnBnExWBnEBnBBBnEBnBBBBnBnExWBBBBBBBBBBBBnBnExWBBBBBBBBnBnEnEnBBBBBBBnBnBWxWJxnqDWNqDJeeWJNqDWxWJxnqDWnWxqDJeNWdxxdndxxdnxnxNxnxNWxnxNxnqDJeNxNdxxdndxxdndxxdNxnxNxnqDJJJdxdnnNdxdnNnqDJBBB7在大注入下可以忽略。电场此可见见缓变基区自建入时电流表示式同，因基区大注处电子电流密度和均匀中而当分布图。件下的电子浓度归一化下，小注入和大注入条子给出了不同电场因。图相等，各占总电流一半近似说扩散电流和漂移电流度是小注入一半，或者度梯下，大注入基区电子浓可见相同电流密度情况时，利用章的知识，当小注入且利用第0)414(24)154(1)()()1()1()1()()(2/0/0/0/0xWxWJxnqDeWnqDWxeneWnqDWxenxJxnLWBBnEBnBkTqVBBnBBkTqVBkTqVBBnBBkTqVBnBBnBBebebebeb8a图以电场因子为参量；b图给出了8时归一化电子浓度分布随电流密度的变化，其中δ=JneWb/qDnbNb(0)表示归一化电流密度。bbnbneWnqDJ)0(29结论：大注入对缓变基区晶体管基区电子及其电流密度的影响与对均匀基区晶体管的相似。这是因为在大注入条件下的缓变基区中，大注入自建电场对基区多子浓度梯度的要求与基区杂质电离以后形成的多子浓度梯度方向是一致的，这时杂质电离生成的多子不再象小注入时那样向集电结方向扩散并建立缓变基区自建电场，而是按照基区大注入自建电场的要求去重新分布。因此，不同电场因子的缓变基区在大注入下有相同的电子浓度分布。可以说，在大注入情况下，大注入自建电场取代（掩盖）了由于杂质分布不均匀所形成的电场（缓变基区自建电场）。10三，基区电导调制效应注入载流子以及为维持电中性而增加的多子使得基区电阻率显著下降，并且电阻（导）率随注入水平变化，称为基区电导调制效应可见，非平衡少子浓度的变化引起基区电阻率的变化（调制）实际上，引起电阻率变化的因素包括高浓度的非平衡少子，但作为基区电导调制效应影响电流放大系数（发射效率）的是基区多子——空穴16)-(41BpBBNq为小注入下，基区电阻率17)-(4)(1'nNNnNqnNpNpBBBBnBBBBB，基区电阻率大注入下，11四，基区大注入对电流放大系数的影响发射效率项势垒复合项基区输运（体复合）项表面复合项18b)-(422122200nBEBSnBBkTqVinBBBmpEBBEDAWSALWenLpWxLWeb12表示发射结势垒复合的第二项在大注入下可以忽略，故只需讨论其余三项在大注入下如何变化。第一项：小注入时的发射效率项。大注入下基区电阻率的变化使发射效率项变为（4-19）第三项：体复合项，它表示基区体复合电流IvB与发射极注入的电子电流InE之比。若基区电子寿命为tnB，则（4-20）)1('BpEBBEpEBBENnLWLWnBBBEnqWAIt2)0(VB13（4-22）第四项：基区表面复合项，表示基区表面复合电流与发射极电子电流之比。将式(4-23)与式(4-21)相比，即可得到大注入下基区表面复合项。（4-24）0])0()0(1[)0(pxbbbbbnbnenNnWnqDJ])0(21)0(1[222bbbbnbbneVbNnNnLWII)1()(02kTqVbSbsrsebeqnAxnSqAI])0(2)0([bbbbnbebSnersnNnNDAWSAII14这里用基区边界的注入电子浓度近似代表整个基区内的注入电子浓度。都很大（4-25）])0(2)0([])0(21)0(1[2])0(1[1220bbbbnbebSbbbbnbbbbpebbenNnNDAWSANnNnLWNnLW由于基区电导调制效应，相当于基区掺杂浓度增大，穿过发射结的空穴电流分量增大，使g降。第二项、第三项表明，由于大注入下基区电子扩散系数增大一倍，可视为电子穿越基区的时间缩短一半，复合几率下降，所以使体内复合和表面复合均较小注入时减少一半。15图4-31/随Ie的变化[14]•在小电流下，大注入自建电场的作用使基区输运系数增加（极限2倍）•在大电流下，基区电导调制效应引起发射效率下降（起主要作用）16五，大注入对基区渡越时间的影响缓变基区中，大注入自建电场的作用破坏了缓变基区自建电场，在特大注入时，基区少子完全受大注入自建电场的作用，和均匀基区情况一样，扩散系数增大一倍。基区渡越时间都趋于Wb2/4Dnb174.2基区扩展效应有效基区扩展效应是引起大电流下晶体管电流放大系数下降的另一重要原因。因系大电流下集电结空间电荷分布情况发生变化而造成的下降(以及fT下降)，因此又称为集电结空间电荷区电荷限制效应。所对应的最大电流称为空间电荷限制效应限制的最大集电极电流。由于合金管与平面管集电结两侧掺杂情况不同，空间电荷区内的电荷分布及改变规律不同，对电流的影响也不同。18图X-5均匀基区晶体管的有效基区扩展均匀基区晶体管（合金管）单边突变结近似空间电荷区主要向基区侧扩展小电流下，按耗尽层近似，有大电流下，大量空穴流过空间电荷区，不再满足耗尽层近似正电荷区电荷密度负电荷区电荷密度结上电压VC不变，则电场强度曲线包围面积不变，于是，正电荷区收缩，负电荷区略展宽pAnDxqNxqNpNqqNpNqqNAADDP+P+n0xpxnXn”WbWb’Wcib1.均匀基区晶体管的有效基区扩展效应4.2有效基区扩展效应192.缓变基区晶体管的有效基区扩展效应对于平面管（以n+-p-n-n+为例），其基区杂质浓度高于集电区，集电结空间电荷区主要向集电区一侧扩展。当大量载流子——电子穿过集电结空间电荷区时，引起另一种类型的有效基区扩展效应。由于电子的流入，引起负空间电荷区（基区侧）电荷密度增加，正空间电荷区（集电区侧）电荷密度减小。为保持电中性，负空间电荷区宽度变窄，而正空间电荷区展宽。当电流密度很大时，载流子——电子的浓度达到以至超过原正空间电荷密度，使原正空间电荷区变成中性区以至负电荷区，正负电荷区边界改变，发生有效基区扩展。4.2有效基区扩展效应20图4-5缓变基区晶体管cb结空间电荷区电场分布图X-5均匀基区晶体管的有效基区扩展P+n0xpxnXn”WbWb’WcibE2.缓变基区晶体管的有效基区扩展效应4.2有效基区扩展效应21由于电流密度与载流子浓度、载流子漂移速度成正比，半导体中载流子迁移率（漂移速度）又随电场强度而变化，所以，不同电场强度下，同样的电流密度可有不同的载流子浓度，对空间电荷的补偿作用及规律也不同。缓变基区晶体管的有效基区扩展效应分强场和弱场两种情况：在强场中，载流子以极限漂移速度运动，电流的增大依靠载流子浓度的增大；在弱场中，电流的增大依靠载流子漂移速度的增大（电场有限地增大），载流子浓度可以不变。2.缓变基区晶体管的有效基区扩展效应4.2有效基区扩展效应222.缓变基区晶体管的有效基区扩展效应4.2有效基区扩展效应强场情况弱场情况nNNAAnNNDD234.2有效基区扩展效应强场情况(E104V/cm)slcslnccqvJnnqvJJ（4-27）（4-26）（4-28）0)1(0)(00ExJJqNxEExqvJNqxEcrcDslcD或2.缓变基区晶体管的有效基区扩展效应)(0nNqdxdED240)1(0)(00ExJJqNxEExqvJNqxEcrcDslcD或4.2有效基区扩展效应强场情况（4-28）a.小注入，耗尽层近似；b.随Jc增大，斜率下降，斜线变平缓；c.当Jc=Jcr=qNDvsl时，E(x)=E(0)，正负电荷在n区两侧，集电区电场恒定；d.当JcJcr时，n区出现负电荷，曲线斜率为负，在Jc=Jcr`时，边界在CB冶金结处，E(0)=0；e.当JcJcr'时，发生基区扩展效应。2.缓变基区晶体管的有效基区扩展效应254.2有效基区扩展效应强场情况（4-30）（4-31）因JcJcr'开始有效基区扩展，故Jcr'被称为平面管强场下有效基区扩展的临界电流密度。2.缓变基区晶体管的有效基区扩展效应xJJqNxEcrcrD)1()('0]21[])(21[W02020'CcDTccrcDCBDcrcrWqNVJWqNVVJJ范围积分，得到将上式在]2[20'cTcDslcrqWVNqvJ264.2有效基区扩展效应强场情况（4-32）（4-33）2.缓变基区晶体管的有效基区扩展效应]