第四章--双极型晶体管的功率特性

半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性1第四章双极型晶体管的功率特性半导体器件物理PhysicsofSemiconductorDevices半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性2本章内容基区大注入效应对电流放大系数的影响基区扩展效应发射极电流集边效应发射极单位周长电流容量晶体管最大耗散功率二次击穿和安全工作区半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性3基区大注入效应双极型晶体管的功率特性当注入基区的少数载流子浓度接近或超过基区的多数载流子浓度时，即为大注入。4.1基区大注入效应对电流放大系数的影响半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性4双极型晶体管的功率特性在大注入自建电场的作用下，载流子在基区内除存在扩散运动外还存在漂移运动，因而基区电子和空穴电流等于漂移电流与扩散电流之和，即4.1.1大注入下基区少数载流子分布4.1.1.1大注入自建电场nnnpppdnJqnEqDdxdpJqpEqDdxμμ1kTdpEqpdx()()()BBpxNxnx当空穴的扩散电流等于漂移电流时，达到动态平衡。因而稳定时，基区内的净空穴电流由此可得，基区大注入自建电场当注入较大时，基区中的多数载流空穴浓度将此代入上式pJ，0pJppdpEDdxpμ半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性5双极型晶体管的功率特性1()11BBBBBBBBBBBBkTdENnqNndxNdNdnkTqNnNdxNndx1BBBBBBBNdnkTEENnqNndx1BBdNkTqNdx表示由基区杂质分布梯度产生的自建电场，半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性6双极型晶体管的功率特性4.1.1.2大注入下基区少子分布及电流特性由于在大注入情况下，基区内存在大注入自建电场，因而不论是均匀基区还是缓变基区晶体管，基区电子电流都应包括漂移和扩散两个分量。可得基区电子电流()()BBnBnBBBBBndndJqDNnNndxdx均匀基区晶体管，基区杂质为均匀分布，0dxdNB因此，基区电子电流2121BBBnBnBBBBnBBBNndnJqDNndxdnqDndxNnEnBJJBWnBL若忽略基区复合，则，且,可认为基区电子线性分布。半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性7双极型晶体管的功率特性BBBWndxdn)0()0(BnBBNnBbnBnEWnDqJ)0()2(即,为基区边界x=0处电子浓度。，所以，上式变为与小注入相比，相当于扩散系数增大一倍。又由于大注入下，半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性8双极型晶体管的功率特性，nEnBJJ()()()()()()nEBBBBnBBBJnxdNxdnxdnxqDNxnxdxdxdxxWBBBeNxNη)0()(()()()2()()()()()()nEBBBBBnBBBBBJNxnxNxnxdnxqDNxnxNxnxdxBηW)()()(xNxnxNBBB0)()(1)()()()(21xNxnqDJxnWdxxdnXNxnBBnBnEBBBBBη对于缓变基区晶体管，当忽略基区复合时，如果基区杂质按指数分布，将此关系代入上式可得等式两端同乘并经整理后可得半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性9双极型晶体管的功率特性)()(xNxnBB0)()()()()()(2xNxnqDJxnWdxxdnXNxnBBnBnEBBBBBηnBnExWBBBqDJeNWdxxdnB2)0(2)(ηηBWxBWx)0(0)(cBBBVWn在大注入情况下，，上式又可简化为或为对上式由积分，并利用处的边界条件，可解得半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性10双极型晶体管的功率特性])[0(21)(2)(xWBBnBnEBBeeNxWqDJxnηη][2)0()1(212)(xWBnEBnBBBnEBnBBeeWJNqDWxWJxnqDηηBBnBnEWNqDJ)0()1(21)(BBnEBnBWxWJxnqD稍加变换当发射区注入到基区的电子电流密度很大时，有上式中右端第二项可以忽略，则有此式表明基区电子浓度分布为线性分布，也就是说，在发射极电流密度很大情况下，基区电子浓度分布与杂质分布情况无关。半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性11而通过第二章内容可以知道，小注入情况下，当BWnBLBBnEBnBWxWJxnqD1)(比较以上两式可见，在相同的电流密度下，大注入基区电子浓度梯度是小注入的一半，这说明大注入条件下，扩散电流和漂移电流近似相等，各占总电流的一半。这漂移电流是由于大注入自建电场所产生的。双极型晶体管的功率特性半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性12双极型晶体管的功率特性半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性13双极型晶体管的功率特性4.1.2基区电导调制效应4.1.3基区大注入对电流放大系数的影响nBEBSnBBkTqVinBBBmPEBBEDAWSALWenLpWxLWEB222/200221nBEBSnBBkTqVinBBBmPEBBEDAWSALWenLpWxLWEB222/200221)1('BPEBBEPEBBENnLWLW小注入均匀基区晶体管电流增益表达式为右边第一项为小注入时的发射效率项，在大注入下由于基区电导调制效应，使基区电阻率发射变化，致使发射效率项变为半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性14双极型晶体管的功率特性nBBBEvBnWqAI2)0(此时时，当,)0(BBBnBBWndxdnLWBBBBBnBEqnEWnnNnDAI)0())0()0(1(]/)0(2/)0(1[222BBBBnBBnEvBNnNnLWII)0(BSSRnSqAI大注入下可得大注入下体内复合项大注入下基区表面复合电流半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性15双极型晶体管的功率特性]/)0(2/)0(1[BBBBnBEBSnESRNnNnDAWASII]/)0(2/)0(1[]/)0(2/)0(1[2])0(1[1220BBBBnBEBSBBBBnBBBBPEBBENnNnDAWSANnNnLWNnLWBBNn)0(得大注入下基区表面复合项则得大注入下电流增益表达式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。若注入水平大到时，上式中第2、3项[]内的数值趋向1/2；其物理意义表明大注入下体内复合及表面复合较小注入减少一半。其原因是由于大注入自建电场的存在，使得电子穿越基区的时间缩短一半，复合几率下降，β0上升。上式中第一项为发射功率项，是发射效率γ0的倒数。从公式中可以看出，随着注入水平的增大，γ0将下降，从而导致β0下降。这是由于基区电导调制效应的影响。半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性16双极型晶体管的功率特性半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性17双极型晶体管的功率特性4.1.4大注入对基区渡越时间的影响半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性18双极型晶体管的功率特性4.2基区扩展效应4.2.1注入电流对集电结空间电荷区电场分布的影响半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性19双极型晶体管的功率特性4.2.1.1强场情况DSLCrNqvJcmV/104)(0nNqdxdED)0()()(0EqvJNqxESLCD)0()1()(0EJJqNxECrCD当势垒区的场强时，称为强场，此时载流子已达极限漂移速度。代入式并积分，可得设通过集电结的电流全部为电子漂移电流，则nqvJJSLnCCSLCqvJn半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性20双极型晶体管的功率特性半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性21双极型晶体管的功率特性4.2.1.2弱场情况半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性22双极型晶体管的功率特性4.2.2基区扩展效应4.2.2.1强场下基区的纵向扩展时当'CrCJJxJJqNxECrCrSD)1()('0CW~02)(2'0CSLCrCSCBDWqvJNqVV，DSLCrNqvJ)(220'CBDCSDSLCrVVqWNqvJCDNN'CrJCNCWCBV'CrJCN将上式在范围内积分，则得利用强场基区扩展临界电流密度式中，，即等于集电区掺杂浓度,可见临界电流密度由集电区掺杂浓度、厚度和外加偏置电压共同决定。实际晶体管的往往由决定。半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性23双极型晶体管的功率特性时当'CrCJJCIBWCIBCWWCJ'CrJ20)()(2CIBCCBDCSLCWWqVVNqvJ21')(1CSLCCSLCrCCIBNqvJNqvJWW21')(1CrCCrCrCCIBjJJJWW'CrCJJCIBWCJ，基区已经扩展，若把扩展的基区称为感应基区，则空间电荷区宽度为，故此的表达式与类似，所不同的是仅是空间电荷区宽度不同。经整理后，可得感应基区宽度当注入电流时，基区在N区扩展的宽度随着的增加而展宽。半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性24双极型晶体管的功率特性4.2.2.2弱场下基区的纵向扩展CCBDCnCrWVVNqJ'CrCJJ)/()(CIBCCBDWWVVECIBCCBDCnCWWVVNqJ)1(CCrCCIBJJWW弱场下发生基区扩展效应的临界电流密度弱场下，当，空间电荷区仍然保持均匀不变，，此时集电极电流密度可得弱场下基区扩展宽度半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性25双极型晶体管的功率特性4.3发射极电流集边效应4.3.1发射极电流的分布半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性26双极型晶体管的功率特性4.3.2发射极有效条宽半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性27双极型晶体管的功率特性4.3.3发射极有效长度半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性28双极型晶体管的功率特性4.4发射极单位周长电流容量4.4.1集电极最大允许工作电流4.4.2线电流密度4.5晶体管最大耗散功率4.5.1耗散功率和最高结温4.5.2热阻4.5.3晶体管的最大耗散功率半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性29双极型晶体管的功率特性4.6二次击穿和安全工作区4.6.1二次击穿现象4.6.2二次击穿机理及改进措施半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性30双极型晶体管的功率特性半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性31双极型晶体管的功率特性4.6.3安全工作区半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程