【正文】 bBbbBBbbBBBbBBbBbBbB+++?+++?++?+?1)11()(1)()()(12 dxdnnNqkTEnNNdxdnnNdxdNNnNNqkTnNdxdnNqkTEbbBbbBBbbBBBbBBbBbB+++?+++?++?1)11()(1 第一項(xiàng)是緩變基區(qū)自建電場(chǎng)分量 ,隨注入水平提高 (nb增大 )而減小。 bbnbne WnqDJ )0(2?10 結(jié)論： 大注入對(duì)緩變基區(qū)晶體管基區(qū)電子及其電流密度的影響與對(duì)均勻基區(qū)晶體管的相似 。 得出結(jié)論： 在發(fā)射極電流密度很大的情況下，基區(qū)電子濃度線性分布，且與雜質(zhì)分布情況無(wú)關(guān)（均勻基區(qū)和緩變基區(qū)一樣）。 —— 與 。 第四章 雙極型晶體管的功率特性 安全工作區(qū) 本章將圍繞安全工作區(qū)的要求，討論大功率（大注入）下的直流特性 4 集電極最大允許工作電流 ICM ?晶體管電流放大系數(shù)與集電極電流的關(guān)系見(jiàn)圖 41。 ?在大電流下， b0隨 Ic增加而迅速減小，限制了晶體管最大工作電流。 0])0()0(1[)0(?++? pnb xbbbbbne nNnWnqDJ??bbnbnebbWnDqJNn)0()2(12)0(????? ，上式變?yōu)轫?xiàng)時(shí)，方括號(hào)中第當(dāng) ?8 對(duì)于 緩變基區(qū)晶體管 ， 基區(qū)內(nèi)已經(jīng)存在著由于雜質(zhì)分布不均勻而產(chǎn)生的緩變基區(qū)自建電場(chǎng) 。 由于大注入下擴(kuò)散、漂移各半，電子濃度梯度只為小注入時(shí)的一半時(shí)即可維持與小注入下 相當(dāng)?shù)碾娏髦?。 這是 因?yàn)樵诖笞⑷霔l件下的緩變基區(qū)中 ， 大注入自建電場(chǎng)對(duì)基區(qū)多子濃度梯度的要求與基區(qū)雜質(zhì)電離以后形成的多子濃度梯度方向是一致的 ， 這時(shí)雜質(zhì)電離生成的多子不再象小注入時(shí)那樣向集電結(jié)方向擴(kuò)散并建立緩變基區(qū)自建電場(chǎng) ， 而是按照基區(qū)大注入自建電場(chǎng)的要求去重新分布 。對(duì)于均勻基區(qū)，此項(xiàng)自然為零。 另外 ， 為了維持電中性 ， 基區(qū)積累起與少子相同濃度和分布的空穴（ 非平衡多子 ） 參見(jiàn)圖 215c、 d。 大注入下基區(qū)電阻率的變化使發(fā)射效率項(xiàng)變?yōu)? （ 414） 第三項(xiàng)：體復(fù)合項(xiàng) ， 它表示基區(qū)體復(fù)合電流 Ivb與發(fā)射極注入的電子電流 Ine之比 。 （ 266） （ 417） 0])0()0(1[)0(??+?+?pxbbbbbnbne nNnWnqDJ])0(21 )0(1[2 22bbbbnbbneVbNnNnLWII??++?)1()( 02 ????? ? kTqVbSbsrs ebeqnAxnSqAI ?])0(2 )0([bbbbnbebSnersnNnNDAWSAII??++?21 這里用基區(qū)邊界的注入電子濃度近似代表整個(gè)基區(qū)內(nèi)的注入電子濃度。 缺勢(shì)壘復(fù)合項(xiàng) 22 圖 43 1/b隨 Ie的變化 ? 在小電流下，大注入自建電場(chǎng)的作用使基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)增加 （極限 2倍） ? 在大電流下，基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)引起發(fā)射效率下降 （起主要作用） 23 緩變基區(qū)中， 大注入自建電場(chǎng) 的作用破壞了 緩變基區(qū)自建電場(chǎng) ，在特大注入時(shí)，基區(qū)少子完全受大注入自建電場(chǎng)的作用，和均勻基區(qū)情況一樣，擴(kuò)散系數(shù)增大一倍。 ?共發(fā)射極直流短路電流放大系數(shù) b0下降到最大值 b0M的一半 (即 bo／bOM＝ )時(shí)所對(duì)應(yīng)的集電極電流為集電極最大工作電流 ， 記為 ICM 小結(jié) 25 基區(qū)大注入效應(yīng)對(duì)電流放大系數(shù)的影響 在發(fā)射極電流密度很大的情況下，基區(qū)電子濃度線性分布，且與雜質(zhì)分布情況無(wú)關(guān)（均勻基區(qū)和緩變基區(qū)一樣）。 小結(jié) 26 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) ? 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) 是引起大電流下晶體管電流放大系數(shù)下降的另一重要原因 。 27 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) 圖 45 均勻基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴(kuò)展 ? 均勻基區(qū)晶體管 （ 合金管 ） ? 單邊突變結(jié)近似 ? 空間電荷區(qū)主要向基區(qū)側(cè)擴(kuò)展 ? 小電流下 ， 按耗盡層近似 ， 有 ? 大電流下 ， 大量空穴流過(guò)空間電荷區(qū) ， 不再滿足耗盡層近似 正電荷區(qū)電荷密度 負(fù)電荷區(qū)電荷密度 ? 結(jié)上電壓 VC不變 ， 則電場(chǎng)強(qiáng)度曲線包圍面積不變 ， 于是 ， 正電荷區(qū)收縮 ， 負(fù)電荷區(qū)略展寬 pAnD xqNxqN ?( )( )pNqqNpNqqNAADD??+?P+ P+ n 0 xp xn Xn” Wb Wb’ Wcib 28 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) 圖 46 基區(qū)寬度隨電流的變化 x Jc Wb Wcib Jcr 0 xm0 Xm(Jc) P+ n P+ 將電流密度轉(zhuǎn)換成載流子濃度 ， 代入一維泊松方程可得空間電荷區(qū)寬度 xm與集電極電流 （ 密度 ） Jc關(guān)系 ，進(jìn)而得到感應(yīng)基區(qū)和有效基區(qū)寬度與電流密度的關(guān)系 —— 均勻基區(qū)晶體管有效基區(qū)擴(kuò)展的規(guī)律 。 ? 當(dāng) p=ND時(shí)， Jc=Jcr, xm= xm0. 21 32 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) 實(shí)際上，由： （ 192） 當(dāng) 時(shí)， pNNpNN AADD ??+? 。 ][ ??+?pNNpNNxxADDAnn當(dāng)認(rèn)為 pN A ??則 2139。 為保持電中性 ， 負(fù)空間電荷區(qū)寬度變窄 ， 而正空間電荷區(qū)展寬 。 37 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) 強(qiáng)場(chǎng)情況 弱場(chǎng)情況 nNN AA +?nNN DD ??38 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) 強(qiáng)場(chǎng)情況 slcslnccqvJnnqvJJ???（ 433） （ 432） （ 434） ( ) ( )( ) ( )0)1(0)(00ExJJqNxEExqvJNqxEcrcDslcD+??+?????? )(0nNqdxdE D ?? ??39 ( ) ( )( ) ( )0)1(0)(00ExJJqNxEExqvJNqxEcrcDslcD+??+?????? 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) 強(qiáng)場(chǎng)情況 （ 434） ， 耗盡層近似； Jc增大 ， 斜率下降 ， 斜線變平緩； Jc=Jcr=qNDvsl時(shí) ， E(x)=E(0)， 正負(fù)電荷在 n區(qū)兩側(cè)； JcJcr時(shí) ， n區(qū)出現(xiàn)負(fù)電荷 ， 曲線斜率為負(fù) ，在 Jc=Jcr39。開(kāi)始有效基區(qū)擴(kuò)展 ， 故 Jcr39。cDTccrcDcDcrcr WqNVJWqNVVJJ ???? +??+?]2[ 2039。crccrcrcc i bDslcDslcrcc i bJJJJWWNqvJNqvJWW????????])(1[ 2139。被稱為平面管強(qiáng)場(chǎng)下有效基區(qū)擴(kuò)展的 臨界電流密度 ? 感應(yīng)基區(qū)擴(kuò)展的極限是 nn+交界面 小結(jié) 43 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) 弱場(chǎng)情況 44 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) 弱場(chǎng)情況 ? 如果 Jc=Jcr=qvslND(NA)時(shí) ， cb結(jié)勢(shì)壘區(qū)場(chǎng)強(qiáng)小于 104V/cm,則處于弱場(chǎng)情況 ? 載流子在勢(shì)壘區(qū)中尚未達(dá)到極限漂移速度 ， 載流子的漂移速度與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比 ? 電流 (Jc=qvn)的增加依靠載流子速度的提高來(lái)實(shí)現(xiàn) ? 載流子速度的提高依靠電場(chǎng)強(qiáng)度的提高 ? 此時(shí) n=Nc， 集電結(jié)勢(shì)壘區(qū)內(nèi)凈電荷為零 ， 電場(chǎng)保持均勻 ? 隨著 Jc增大 ， 勢(shì)壘區(qū)保持均勻電場(chǎng)向襯底收縮 ， 同時(shí)均勻的電場(chǎng)強(qiáng)度增大 ， 發(fā)生緩變基區(qū)晶體管弱場(chǎng)下的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) ？ 45 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) 弱場(chǎng)情況 ? 當(dāng) n=Nc時(shí) ， dE/dx=0. 隨著 Jc增大 ， 若 n增加 ， 使 nNc， 則有凈電荷 ， 使 |E(x)|隨x增大 。39。039。 ? ：有 即有擴(kuò)展 ， 時(shí) ： 時(shí) ， 開(kāi)始擴(kuò)展 。cmccrcrcWxJJJ +??ccTCccrc WVNqvJJ????39。39。 ???? ?53 發(fā)射極電流集邊效應(yīng) 圖 413 發(fā)射極上的電流分布 54 發(fā)射極電流集邊效應(yīng) 發(fā)射極 電流集邊效應(yīng) (或基極電阻自偏壓效應(yīng) )增大了發(fā)射結(jié)邊緣處的電流密度 ， 使之更容易產(chǎn)生大注入效應(yīng)或有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) ，同時(shí)使發(fā)射結(jié)面積不能充分利用 ， 因而有必要對(duì)發(fā)射區(qū)寬度的上限作一個(gè)規(guī)定 。 000 ????yy dyydVyV解得： （ 448） ?????? ???+ yqkTWJchqkTqkTyVbEbE21])( )0()1([)( ??59 發(fā)射極電流集邊效應(yīng) ( ) ( ) qkTyVSyyVy effSyef fy ???? ?? 。 上述討論以 y=0為坐標(biāo)原點(diǎn) ， 但 Seff是從發(fā)射極邊緣向中心計(jì)算的 。 但一般難于計(jì)算 ， 可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得 。 由于集邊效應(yīng) ， 使得與 Ie復(fù)合的基極電流也不再線性減小 ? 大注入效應(yīng)所引起的基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使基區(qū)電阻大為減小 ? 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)也使基區(qū)電阻減小 總之 ， 大電流下 ， 基極電阻會(huì)大為減小 。 由于二者數(shù)值不等 ，在設(shè)計(jì)晶體管時(shí)應(yīng)按較小的電流密度做為計(jì)算依據(jù) 。 對(duì)于均勻基區(qū)管： 對(duì)于緩變基區(qū)管： bBnbEM WNqDJ ?bBnbEM WNqDJ ?0])0()0(1[)0(?++? pxbbbbbnbne nNnWnqDJ??(41) 67 發(fā)射極單位周長(zhǎng)電流容量 —— 線電流密度 ? 按 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) 計(jì)算 ， 定義：基區(qū)開(kāi)始擴(kuò)展時(shí)的臨界電流密度為最大集電極電流密度 。39。 對(duì)于圖形確定的晶體管 ， 改善大電流特性主要是提高發(fā)射極單位周長(zhǎng)電流容量 (即提高線電流密度 )， 可以考慮的途徑是： ① 外延層電阻率選得低一些 ， 外延層厚度盡可能小些； ② 直流放大系數(shù) b0或 fT盡量做得大些 。 70 發(fā)射極單位周長(zhǎng)電流容量 —— 線電流密度 小結(jié) ? 由于電流集邊效應(yīng) ， 在大電流情況下晶體管的電流容量取決于發(fā)射區(qū)的周長(zhǎng) 。 ? 改善大電流特性 ， 就是指設(shè)法將 b0或 fT開(kāi)始下降的電流提高一些 ， 或者說(shuō)是如何提高集電極最大工作電流 ICM的問(wèn)題 。 在轉(zhuǎn)換過(guò)程中晶體管本身還要消耗一定的功率 Pc。 ? 晶體管最大耗散功率 PCM不僅限制了晶體管的工作點(diǎn) ， 也通過(guò)轉(zhuǎn)換效率限制其輸出功率 (圖 418)。 隨著結(jié)溫的升高，散熱能力也增大，當(dāng)晶體管產(chǎn)生的熱量 (以 消耗的電功率表示 )與單位時(shí)間所能散發(fā)的熱量相等時(shí)，達(dá)到 熱穩(wěn)態(tài) ，此時(shí)： ( ) ( )AjTAjC TTRTTKQP ?????1CAjT PTTR ??74 kAtRALALRPTTRIVVRTcAjT?????