晶体管的热学-二次击穿-开关特性 设计考虑

晶体管的热学性质晶体管的二次击穿和安全工作区晶体管的开关特性高频晶体管的设计考虑晶体管的热学性质晶体管参数与温度的关系结温与热阻热稳定性条件器件版图结构1.晶体管参数与温度的关系反向截止电流与温度的关系212CBOCBOdIEgIdTkT室温下上式右端为10%/c由于ICEO=ICBO/（1-a),所以ICEO与ICBO有相同的温度关系IE及IC与温度的关系115.4%/ECVBEVBEIICIETICT由于IE及IC有较大的正温度系数，双极型晶体管特别是大功率双极型晶体管的温度稳定性是一个很严重的问题。当IE及IC不变时，VBE与温度的关系2/BEGBEEVEqVImvCTqT利用PN结正向电压的这种温度特性，可以制作半导体结型温度传感器。与温度的关系雪崩击穿电压与温度的关系雪崩击穿电压随温度的增加而缓慢增加。这是由于温度提高后，载流子与光学波声子散射的几率增加，使得在相同的电场强度下，载流子在两次碰撞之间积累的能量不如低温时候的多。2.结温与热阻JTDTTTTTaPRR由于集电结是晶体管的主要热源，结温TJ也指的是集电结的温度。由于晶体管的工作区域很薄，其中的温度变化不大，因此Tj也是晶体管的工作区域的实际温度。对于硅管，最高允许结温在150-200度的范围。超过这个范围一方面漏电流太大，另一方面本征载流子浓度大大增加。TLRTA3.热稳定性条件TdPcSRdTjIcBIcTjS为热反馈因子。S1是稳定的，S1是不稳定的。由此可见，防止热击穿最有效的措施是降低热阻。得到热稳定的条件为：S=B1TVBE恒定当用恒压源做发射结电压的偏置时，这时IC随温度的变化是比较剧烈的。5.4%/BEIcBVCIcTjIB恒定时当用恒流源作为基极电流的偏置时2GJJIcdEBIbIcTjdTkT的相对温度系数比Ic的小的多,通常不到1%/°C,所以这种偏置的热稳定比较好。IE恒定时当用恒流源作为发射极电流的偏置时，由于Ic＝aIE.a的变化很小，所以这种偏置是最稳定的。JIcdBIEIcTjdT基极开路基极开路是在开关电路或晶体管测试中出现的情形。这时：IceoBIceoTj在硅晶体管中这一因子约为10％/℃，因此是最不稳定，最容易发生热击穿的情形。实际应用中常采用在发射极上串连一个镇流电阻。这个电阻起到负反馈的作用。VBE=EB-IE*RE≈EB-IC*RE当温度升高时，IC增大，VBE会减小，反过来会使IC减小。这就是负反馈作用。通常RE越大，则B与S的值越小，晶体管就越稳定。但RE过大会降低电路的功率放大能力并增加功耗。通常选用：RE=0.4/IC提高热稳定性不只是为了防止热击穿。由于晶体管的各项参数都会随温度变化，热稳定性提高后，在一定偏置下结温的变动减小，从而也使晶体管的各项参数得到稳定。版图结构上的考虑功率晶体管的基区若设计成单一面积，则由于基区周长较短而导致热阻较大，造成管芯间较大的温差。结温的不均匀将导致电流的不均匀分布，通过温度与功耗之间的正反馈而在基区中心产生过热点导致正向二次击穿。为了克服这个问题，可以将单一面积的基区分成若干小基区，每个基区构成一个子器件，彼此相隔一定距离，并通过金属化并联起来。由于总的基区周长加长使得热阻降低，同时使得结温分布较为均匀。二次击穿与安全工作区二次击穿现象正向二次击穿(电流集中型)晶体管内得电流分布不可能是完全均匀的。由于电流的正温度系数，这种初始的不均匀在一定的条件下可能产生恶性循环，使电流分布的不均匀越来越严重，最后导致电流集中在一个极小的区域内，形成一个“过热点”。过热点的温度足以使该处的半导体或接触的金属熔化，造成永久的破坏。更常见的情况是，即使温度不足以使得金属熔化，但由于各点温度不同所产生的应力也足以导致晶格的严重损伤。解决电流集中效应的方法是采用多个发射极镇流电阻。如果由于某种不均匀性使得一个子晶体管的电流比其他的大，那么这个子晶体管的发射极镇流电阻上的压降将增大，发射结上的正向压降将减小，使得这个子晶体管的发射结电流自动地减小。这种负反馈作用消除了电流集中，使总电流能比较均匀地分布在各个小发射极上，从而防止二次击穿发生。反向二次击穿（雪崩注入型二次击穿）临界电流ISB=ACJCO=ACqNCvmaxAc代表集电结面积。临界电压VSB=ECWCWC代表N-区厚度。对于硅，EC≈105V/cm消除雪崩注入型二次击穿的方法：（1）采用双层外延，在N+衬底和N-外延层之间增加一个中等掺杂的N型外延层，形成N+PN-NN+(2)在集电结上并联一个“穿通二极管”。当VCE还未达到一次击穿时，该二极管已经导通，将大量电流旁路掉，使集电结电压难以再增加，从而避免集电结的一次击穿。（3）使发射区中心部分掺杂浓度较低，结深也较浅。晶体管的安全工作区（1）集电极最大电流ICMAX（2）最大耗散功率PCM（3）正向（电流集中型）二次击穿的临界功率线VSBF(4)反向（雪崩注入型）二次击穿的临界功率线VSBR(5)发射极－集电极击穿电压BVCEO晶体管的开关特性晶体管的直流开关特性晶体管的瞬态开关特性三极管直流开关特性三极管相当于一个由基极电流控制的无触点开关。截止时，相当于开关“断开”；等效电路：饱和时，相当于开关“闭合”。等效电路：IBS基极临界饱和电流；ICS集电极饱和电流，ICSIBS；VCES集射极饱和管压降。若IBIBS,饱和；若0IB≤IBS,放大；若IB≤0,截止CGCCESGCSRVRVVIIBSICS/则晶体管的瞬态开关特性：开关时间：三极管在截止状态和饱和状态之间转换所需的时间。包括：（1）开通时间ton——从三极管输入开通信号瞬间开始至iC上升到0.9ICS所需的时间。（2）关闭时间toff——从三极管输入关闭信号瞬间开始至iC降低到0.1ICS所需的时间。提高开关速度的措施1.尽量降低集电区少子寿命背面掺金工艺,或者掺铂、进行中子辐射、提高集电区的掺杂浓度。2.采用较薄的外延层。（减薄外延层）3.集成电路中，采用肖特基钳位二极管来阻止晶体管进入深饱和，可以从根本上解决储存时间过长的问题。由可知，要提高M，应提高fT，降低rbb’和CTC，应采用细线条的多基极条和多发射极条结构。S高频晶体管的设计考虑TbbTC8fMrCEEBBBl….…高频晶体管通常是由平面工艺制成的硅NPN管。定义：功率增益与频率平方的乘积称为高频优值，记为M2TpmaxbbTC8fMKfrC高频优值也称为功率增益-带宽乘积，是晶体管的功率放大能力与频率特性的重要参数综合衡量。提高M的各项具体措施及其副作用要使rbb’↓，应：(1)l↑(因)(2)s↓(因，但受工艺水平限制)(3)R口B↓①NB↑(但使β↓，CTC↑，BVEBO↓)lr1bbsrbb②WB↑(但使b↑，β↓，fT↓)要使CTC↓，应：(1)AC↓(l↓,s↓)(2)NC↓(但使rcs↑，d↑)可见乘积rbb’CTC与l无关而与s2成正比，所以高频晶体管必须采用细线条。要使fT↑，应使ec↓。由于要使c↓，应：要使d↓，应：xdc↓→NC↑(但会使BVCBO↓,CTC↑)(1)rcs↓①NC↑(但会使BVCBO↓,CTC↑)②集电区厚度dc↓③AC↑(但会使CTC↑)(2)CTC↓①AC↓②NC↓(但会使rcs↑)要使eb↓，应：(1)re↓→IE↑(因，但受大注入等限制)(2)CTE↓EeqIkTr①AE↓(l↓,s↓)②NB↓(但会使rbb’↑，VA↓)要使b↓，应：(1)WB↓(但会使rbb’↑，VA↓，且受工艺限制)(2)η↑(采用平面工艺)2dcBecebbdceTEcsTCBmax21122xWrCrCDv，故一般情况下应减小WB。但当WB减小到b不再是ec的主要部分时，再减小WB对继续减小ec已作用不大，而对rbb’的增大作用却不变。同时工艺上的难度也越来越大。2bbbBB1,rWW而几个主要矛盾(1)对WB的要求(2)对NB的要求减小rbb’与减小eb及增大对NB有相矛盾的要求。这个矛盾可通过采用无源基区（即非工作基区）重掺杂来缓解。这样可以降低R口B3，从而减小rbb’中的rcon与rcb，但不会影响eb与。减小d及rcs与减小CTC及提高BVCBO对NC有矛盾的要求。这个矛盾可以通过在重掺杂的N+衬底上生长一层轻掺杂的N-外延层来缓解。外延层厚度与衬底厚度的典型值分别为10m与200m。(3)对NC的要求总结以上可知，对高频晶体管结构的基本要求是：浅结、细线条、无源基区重掺杂、N+衬底上生长N-外延层。除以上主要矛盾外，还存在一些相对次要的其它矛盾，在进行高频晶体管的设计时需权衡利弊后做折衷考虑。