【正文】 ?? 21??對(duì)片狀材料：熱路中電路中 晶體管最大耗散功率 PCM 熱導(dǎo)率 晶體管管芯到管殼的熱阻稱(chēng)為 內(nèi)熱阻 。 熱阻 75 晶體管最大耗散功率 PCM 最大耗散功率 晶體管的最大耗散功率 PCM即當(dāng)結(jié)溫 Tj達(dá)到最高允許結(jié)溫 TjM時(shí)所對(duì)應(yīng)的耗散功率。 79 二次擊穿和安全工作區(qū) 圖 421 二次擊穿現(xiàn)象 ? A點(diǎn)稱(chēng)為 二次擊穿觸發(fā)點(diǎn) 。 ? 從發(fā)生雪崩擊穿并到達(dá) A點(diǎn)至發(fā)生二次擊穿 ， 這中間僅需 ms?s數(shù)量級(jí)的時(shí)間間隔 。 因此 ， ESB也叫 二次擊穿耐量 。 1. 二次擊穿現(xiàn)象 82 二次擊穿和安全工作區(qū) 2. 二次擊穿的特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 ? 分析二次擊穿現(xiàn)象 ， 發(fā)現(xiàn)有如下顯著持點(diǎn)： (1)從高壓低電流區(qū)急劇地過(guò)渡到低壓大電流區(qū) 、 呈現(xiàn)負(fù)阻特性 。 一般說(shuō)來(lái) ， 對(duì)于緩變結(jié) m＝ ， 而對(duì)于突變結(jié) m＝ 4(指集電結(jié)而言 ) (3)二次擊穿觸發(fā)功率與晶體管特征頻率之間存在著一定的關(guān)系 : 式 中 ， Kf為晶體管常數(shù) ， mf為相關(guān)指數(shù) ,其數(shù)值介于 ～ 1之間 。 ( ) fmTfSB fKP ??2. 二次擊穿的特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 84 二次擊穿和安全工作區(qū) 圖 423 PSB與 fT測(cè)量脈寬的關(guān)系 2. 二次擊穿的特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 85 二次擊穿和安全工作區(qū) (4)二次擊穿觸發(fā)能量與基極電阻及基區(qū)電阻率有關(guān) 。 圖 424 PSB與 rb、 ?b的關(guān)系 (Ge晶體管 ) 2. 二次擊穿的特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 86 二次擊穿和安全工作區(qū) (5) 一般說(shuō)來(lái)電流放大系數(shù)較大的晶體管其 PSB較低 。如 圖 4— 25所示 。 這一理論又稱(chēng)為熱不穩(wěn)定性理論 。 對(duì) Ib＞ 0時(shí)發(fā)生二次擊穿后的管芯進(jìn)行顯微觀察 ， 發(fā)現(xiàn)基區(qū)內(nèi)有微小的再結(jié)晶區(qū) 。 2. 原材料或工藝過(guò)程造成的缺陷和不均勻性。 5. 由于燒結(jié)不良形成空洞而造成的局部熱阻過(guò)大，使該處結(jié)溫升高，電流增大。 (2)提高材料及工藝水平 ， 盡可能消除不均勾性 。 這是解決正偏二次擊穿的一個(gè)有效方法 。 5K時(shí) ， 鎮(zhèn)流電阻要能將發(fā)射極電流的變化限制在177。這種二次擊穿是由 集電結(jié)內(nèi)的電場(chǎng)分布及雪崩倍增區(qū)隨 Ic變化，倍增多子反向注入勢(shì)壘區(qū) 而引起的，故稱(chēng)為雪崩注入二次擊穿。 因此 ， 這種擊穿與外延層厚度 Wc密切相關(guān) 。 Ib0情況可視為 e、 b間并聯(lián)電阻 R， 此時(shí) Ic=Ie+Ib 故 較小電流 （ Ie)下 ， 由于發(fā)射結(jié)勢(shì)壘復(fù)合作用 ， ?也較小 ， 欲使一次雪崩 ?M→ 1,M應(yīng)更大 ， VSB更大 。 3. 二次擊穿原因分析及改善措施 107 二次擊穿和安全工作區(qū) 二 、 雪崩注入二次擊穿 (3.) 雪崩注入二次擊穿臨界線 （ 4.） 改善或消除措施 當(dāng) Ib＞ 0時(shí) ， 隨 Ib增大 ， VSB減小是由于電流集邊效應(yīng)的影響使之在較低的偏壓下即可 發(fā)生二次擊穿 ?？煽紤]采用圖 435所示的雙層集電區(qū)結(jié)構(gòu)。 3. 二次擊穿原因分析及改善措施 110 二次擊穿和安全工作區(qū) 二 、 雪崩注入二次擊穿 （ 4.） 改善或消除措施 3. 二次擊穿原因分析及改善措施 n+n2n1 n2緩沖層減小 nn+處電場(chǎng)強(qiáng)度，又不使串聯(lián)電阻增加太多 n1控制 BVcbo， n2控制 Jc0 111 二次擊穿和安全工作區(qū) ? 安全工作區(qū)是指晶體管能夠安全工作的范圍 。 ?區(qū)域 Ⅳ為 雪崩擊穿區(qū) 。 112 二次擊穿和安全工作區(qū) 脈沖 工作條件拓寬了晶體管的安全工作區(qū)，且隨脈寬減小而擴(kuò)大。而當(dāng)脈寬＜ 100?s后，安全工作區(qū)已不再受二次擊穿功率PSB的限制。 小結(jié) ? 二次擊穿觸發(fā)點(diǎn) ? 二次擊穿觸發(fā)電流 ISB ? 二次擊穿觸發(fā)電壓 VSB ? 基極正偏二次擊穿 ? 零偏二次擊穿 ? 反偏二次擊穿 ? 二次擊穿臨界線 ? 二次擊穿觸發(fā)時(shí)間 ? 二次擊穿觸發(fā)能量 ? 二次擊穿耐量 四個(gè)階段 114 二次擊穿和安全工作區(qū) 小結(jié) 2. 二次擊穿的特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 3. 二次擊穿原因分析及改善措施 (一 )電流集中二次擊穿 這種擊穿是由于晶體管內(nèi)部出現(xiàn)電流局部集中 ， 形成“ 過(guò)熱點(diǎn) ” ， 導(dǎo)致該處發(fā)生局部熱擊穿的結(jié)果 。 1. 二次擊穿現(xiàn)象 Ib0時(shí)， Ic較大，若不能雪崩擊穿，則由于溫度上升而發(fā)生電流集中二次擊穿； Ib0時(shí)， Ic極小，則更容易發(fā)生雪崩注入二次擊穿。 （二） 雪崩注入二次擊穿 這是一種與外延層厚度密切相關(guān)的二次擊穿 。 4. 安全工作區(qū) 113 二次擊穿和安全工作區(qū) 圖 421 二次擊穿現(xiàn)象 1. 二次擊穿現(xiàn)象 ? 當(dāng)晶體管集電結(jié)反偏增加到一定值時(shí) ， 發(fā)生雪崩擊穿 ， 電流急劇上升 。 而占空比＜ 5％時(shí)就不易損壞了。 晶體管 真正的安全工作區(qū)應(yīng)該是五者限定的區(qū)域 (因中陰影線部分 )。 4. 安全工作區(qū) ?區(qū)域 I為 功率耗散過(guò)荷區(qū) ， 在該區(qū)內(nèi)工作時(shí) ， 晶體管主要是熱破壞； ?區(qū)域 Ⅱ是 電流集中二次擊穿區(qū) ， 在該區(qū)內(nèi)工作的晶體管內(nèi)部產(chǎn)生的 “ 過(guò)熱點(diǎn) ”處熔化而造成 c、 e短路 。如圖 436。 但這會(huì)使集電區(qū)串聯(lián)電阻 rcs增大，影響其輸出功率。 R進(jìn) — 步減小 ， Ib增大 ， 達(dá)到臨界電流密度時(shí)的 Ic也增大 (流過(guò) rb電流減小 ， 電流集中效應(yīng)減弱 )， 即在較大的 Ic下才發(fā)生二次擊穿 。 （ 按 EM=105V/cm,VSB≧BVcbo計(jì)算 Wc） 3. 二次擊穿原因分析及改善措施 103 二次擊穿和安全工作區(qū) 二 、 雪崩注入二次擊穿 (3.) 雪崩注入二次擊穿臨界線 （ 4.） 改善或消除措施 圖 432 電流集中二次擊穿臨界線 3. 二次擊穿原因分析及改善措施 圖 434 雪崩注入二次擊穿臨界線 104 二次擊穿和安全工作區(qū) 二 、 雪崩注入二次擊穿 (3.) 雪崩注入二次擊穿臨界線 （ 4.） 改善或消除措施 00 ?? ? bb ISBISB II00 ?? ? bb ISBISB VVIb0， 基極電阻自偏壓效應(yīng)表現(xiàn)為 發(fā)射極電流夾緊效應(yīng) ， 減小了有效的 Ac， 由 ISB=qvslNcAc 得ISB減小 。nNc 空穴注入 n區(qū) 3. 二次擊穿原因分析及改善措施 100 101 二次擊穿和安全工作區(qū) Vce增大 ,E→EM 一次雪崩擊穿 Jc↑,Jc=Jco=qvslNc n=Nc,電場(chǎng)均勻分布 VceBVceo, nNc, 最大場(chǎng)強(qiáng)轉(zhuǎn)移到 x=Wc處 雪崩空穴流過(guò)n區(qū) ,中和電子 Vce下降，電流急劇上升 二次擊穿 雪崩注入二次擊穿 ? 電壓作用產(chǎn)生電荷 ,電荷支持電場(chǎng) 3. 二次擊穿原因分析及改善措施 102 二次擊穿和安全工作區(qū) 1. 電流 :Jc=Jco=qvslNc 或 ISB=JcoAc 2. 電壓 :VSB=EMWc 二 、 雪崩注入二次擊穿 (2.) 擊穿條件 (3.) 雪崩注入二次擊穿臨界線 （ 4.） 改善或消除措施 當(dāng) x=0處達(dá)到 EM時(shí) ， 發(fā)生雪崩使 n→N c， 若沒(méi)有 VSB維持 Wc內(nèi)的 EM，則不能維持雪崩 （ 為強(qiáng)場(chǎng)下的有效基區(qū)擴(kuò)展 ） 。 3. 二次擊穿原因分析及改善措施 鎮(zhèn)流電阻過(guò)大，本身消耗功率，增益（輸出功率）下降；過(guò)小起不到鎮(zhèn)流作用。如果由于熱不穩(wěn)定 ,在某一 (3.) 改善及預(yù)防措施 點(diǎn)電流集中 ， 該點(diǎn)所處單元電流的增加使得串聯(lián)在該單元上的 REi上的壓降也隨之增加 ， 從而使真正作用在該單元發(fā)射結(jié)上的壓降隨之減小 ，進(jìn)而使通過(guò)該單元的電流自動(dòng)減小 ， 避免了電流進(jìn)一步增加而誘發(fā)的二次擊穿 。 (3)改善管芯與底座間的散熱均勻性 ， 消除由于接觸不良而形成的“ 過(guò)熱點(diǎn) ” 。 3. 二次擊穿原因分析及改善措施 94 二次擊穿和安全工作區(qū) 主要目的是改善電流分配的不均勻性 。 3. 發(fā)射極條、基極條間由于光刻、制版等原因造成各部位尺寸不均勻而引起的電位分配不均勻。 所以二次擊穿后 ， 晶體管往往發(fā)生c、 e穿通 。 這種二次擊穿是由集電結(jié)內(nèi)的電場(chǎng)分布及雪崩倍增區(qū)隨 Ic變化 ， 倍增多子反向注入勢(shì)壘區(qū) 而引起的 ， 故稱(chēng)為雪崩注入二次擊穿 。 2. 二次擊穿的特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 89 二次擊穿和安全工作區(qū) ? 二次擊穿的機(jī)理較為復(fù)雜 ， 至今尚沒(méi)有一個(gè)較為完整的理論對(duì)二次擊穿做嚴(yán)格定量的分析解釋 ， 目前比較普遍的解釋是電流集中二次擊穿和雪崩注入二次擊穿 。隨著外延層厚度的增加 PSB也增大 。 由圖可見(jiàn) 。 在 fT相同時(shí) ， 脈寬越窄 ，PSB越高 。 83 二次擊穿和安全工作區(qū) (2)二次擊穿臨界 (觸發(fā) )電流 ISB與臨界 [觸發(fā) )電壓 VSB不是相互獨(dú)立的 ， 而是滿(mǎn)足關(guān)系式 ISB∝VSBm。 上述一系列過(guò)程僅僅發(fā)生在 ms— ?s范圍內(nèi) 。 ? 在 td時(shí)間內(nèi) ， 消耗在晶體管中的能量 稱(chēng)為 二次擊穿觸發(fā)能量 。 ? 晶體管在 Ib＞ 0、 Ib＝ 0、 Ib＜ 0條件下均可發(fā)生二次擊穿 ， 分別稱(chēng)之為 基極正偏二次擊穿 、 零偏二次擊穿 和 反偏二次擊穿 。 77 二次擊穿和安全工作區(qū) 1. 二次擊穿現(xiàn)象 2. 二次擊穿特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 3. 二次擊穿原因分析及改善措施 1) 電流集中二次擊穿 2) 雪崩注入二次擊穿 4. 安全工作區(qū) 78 二次擊穿和安全工作區(qū) 圖 421 二次擊穿現(xiàn)象 1. 二次擊穿現(xiàn)象 ? 當(dāng)晶體管集電結(jié)反偏增加到一定值時(shí) ， 發(fā)生雪崩擊穿 ，電流急劇上升 ?？偀嶙?應(yīng)為各部分熱阻串聯(lián)之總和 。 73 晶體管最大耗散功率 PCM 熱阻 如果晶體管耗散功率所轉(zhuǎn)換的熱量大于單位時(shí)間所能散發(fā)出去的熱量，多余的熱量將使結(jié)溫 Tj升高。 一部分散發(fā)到環(huán)境中；一部分使結(jié)溫升高 。 這是設(shè)計(jì) 、 制造大功率晶體管必須考慮的重要參數(shù)之一 。 ? 按基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)計(jì)算 ， 定義：注入到基區(qū) eb結(jié)側(cè)邊界少子濃度達(dá)到基區(qū)雜質(zhì)濃度時(shí)所對(duì)應(yīng)的發(fā)射極電流密度為受基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)限制的最大發(fā)射極電流密度 。 其中 ① 、 ② 兩項(xiàng)可調(diào)整的范圍大些 ， 但第 ① 項(xiàng)又受擊穿電壓指標(biāo)的限制 ， 第 ② 項(xiàng)受成品率等的限制 ， b0、 fT也不能做得太高；考慮到發(fā)射結(jié)擴(kuò)散及發(fā)射結(jié)擊穿電壓 ， 內(nèi)基區(qū)方塊電阻又不能做得太小 ，所以提高線電流密度的限度也是有限的 。 69 發(fā)射極單位周長(zhǎng)電流容量 —— 線電流密度 在功率晶體管中 ， 常常會(huì)遇到 “ 改善大電流特性 ” 的問(wèn)題 。2039。而外延平面 (臺(tái)面 )管 ， 因基區(qū)雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于集電區(qū)雜質(zhì)濃度 ， 易于發(fā)生向集電區(qū)延伸的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) 。 ( ) ( )21?????????????? Ebbef f JqkTWS ??64 發(fā)射極單位周長(zhǎng)電流容量 —— 線電流密度 ? 由于電流集邊效應(yīng) ， 使得在大電流情況下晶體管的電流容量不是取決于發(fā)射區(qū)面積 ， 而是取決于發(fā)射區(qū)的周長(zhǎng) 。 Seff稱(chēng)為有效半寬度 。 圖 417 沿發(fā)射極條長(zhǎng)方向的電流分布 62 發(fā)射極電流集邊效應(yīng) ? 大電流下 ， 計(jì)算基極電阻時(shí) ， 發(fā)射極電流均勻分布的假設(shè)不再成立 。 )0(7 1 )0()0()(1)0(7 1 0 EqkTkTqVEef fEEEPJdVeJVSVJJJ?????發(fā)射極平均電流密度：發(fā)射極峰值電流密度：60 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)