【正文】 NqDJ )0(24 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。 由于大注入下擴散、漂移各半，電子濃度梯度只為小注入時的一半時即可維持與小注入下 相當?shù)碾娏髦?。 ? 因系大電流下集電結(jié)空間電荷分布情況發(fā)生變化而造成的 b下降 (以及 fT下降 )， 因此又稱為 集電結(jié)空間電荷區(qū)電荷限制效應(yīng) 。 29 有效基區(qū)擴展效應(yīng) slcslpecqvJpq p vJJ???? （ 423） （ 424） （ 425） 左邊： （ 422） )0( )()0( 39。 39。 )1( ?+?Dnn Npxx（ 429a） 210210 )1()1( ?? +??+??Dmcrcmm NpxJJxx34 有效基區(qū)擴展效應(yīng) 對于 平面管 （ 以 n+pnn+為例 ） ， 其基區(qū)雜質(zhì)濃度高于集電區(qū) ， 集電結(jié)空間電荷區(qū)主要向集電區(qū)一側(cè)擴展 。 當電流密度很大時 ， 載流子 —— 電子的濃度達到以至超過原正空間電荷密度 ， 使原正空間電荷區(qū)變成中性區(qū)以至負電荷區(qū) ， 正負電荷區(qū)邊界改變 ， 發(fā)生有效基區(qū)擴展 。時 ， E(0)=0； Jcr 39。被 稱為平面管強場下有效基區(qū)擴展的 臨界電流密度 。cTcDslcr qWVNqvJ ??+?0~Wc內(nèi)積分， VDVc為集電結(jié)上電壓。39。 而 若 |E(x)|增大 ， 則 n減小 ， 這將使 |E(x) |減小 所以 ， 當 n=Nc時 ， 弱場下 ， 電場區(qū)將保持 n=Nc， 而dE/dx=0 EqJqvJn cc0??? 46 有效基區(qū)擴展效應(yīng) 弱場情況 ? 有多余部分 n積累在電場區(qū)邊界做為負電荷層以維持電場 ， 弱場中只允許 n=Nc的電子流過 。039。39。 ： 時 ， 開始擴展 。39。49 發(fā)射極電流集邊效應(yīng) 50 發(fā)射極電流集邊效應(yīng) ? 實際晶體管中 ， 基極電流平行于結(jié)平面流動 ? 基極電流在狹長的基極電阻上產(chǎn)生平行于結(jié)平面方向的橫向壓降 ? 大電流下 ， 橫向壓降也很大 ， 明顯改變 eb結(jié)各處實際電壓 ， 導致各處實際注入電流的懸殊差異 ? 電流大部分集中在發(fā)射區(qū)邊界 ， 使發(fā)射區(qū)面積不能充分利用 ? 電流的局部集中使得在小電流下局部也有較大的電流密度 ， 從而引起局部的 “ 大注入 ” 效應(yīng)和有效基區(qū)擴展效應(yīng) 51 發(fā)射極電流集邊效應(yīng) 1. 發(fā)射極電流分布 2. 發(fā)射區(qū)有效寬度 3. 發(fā)射極有效長度 4. 基極電阻的變化 ? 發(fā)射極電流集邊效應(yīng) ? 發(fā)射區(qū)有效 （ 半 ） 寬度 ? 發(fā)射極有效長度 ? 發(fā)射極峰值電流密度 ? 發(fā)射極平均電流密度 概念 定義 計算 52 發(fā)射極電流集邊效應(yīng) （ 137） ? 由于 pn 結(jié)電流與結(jié)電壓的指數(shù)關(guān)系 ， 發(fā)射結(jié)偏壓越高 ， 發(fā)射極邊緣處的電流較中間部位的電流越大 ， 這種現(xiàn)象稱為 發(fā)射極電流集邊效應(yīng) 。 ? 為充分利用發(fā)射區(qū)面積 ， 限制集邊效應(yīng) ， 特規(guī)定：發(fā)射極中心到邊緣處的橫向壓降為 kT/q時所對應(yīng)的發(fā)射極條寬為發(fā)射極有效寬度 ， 記為 2Seff。 0 0S 0ef f 時，時，的定義：根據(jù)( ) ( )21]01[Ebbe f f JqkTWS?? ??（ 449） 可代替 JE(0)計算 Seff， 意義更明顯，運用更方便。 61 發(fā)射極電流集邊效應(yīng) ? 定義： 沿極條長度方向 ， 電極端部至根部之間壓降為 kT/q時所對應(yīng)的發(fā)射極長度稱為發(fā)射極有效長度 ? 作用：類似于基極電阻自偏壓效應(yīng) ， 但沿 Z方向 ，作用在結(jié)的發(fā)射區(qū)側(cè) ? 計算：與基極電阻相同求法求出發(fā)射極條等效電阻后 ,按定義求出 。 63 發(fā)射極電流集邊效應(yīng) 小結(jié) 1. 發(fā)射極電流分布 2. 發(fā)射區(qū)有效寬度 3. 發(fā)射極有效長度 4. 基極電阻的變化 ? 發(fā)射極電流集邊效應(yīng) ? 發(fā)射區(qū)有效 （ 半 ） 寬度 ? 發(fā)射極有效長度 ? 發(fā)射極峰值電流密度 ? 發(fā)射極平均電流密度 概念 定義 計算 ? 為充分利用發(fā)射區(qū)面積 ， 限制集邊效應(yīng) ， 特規(guī)定： 發(fā)射極中心到邊緣處的橫向壓降為kT/q時所對應(yīng)的發(fā)射極條寬為發(fā)射極有效寬度 ， 記為 2Seff。 但一般難于計算 ， 可通過實驗測得 。 一般說來 ， 合金型晶體管基區(qū)雜質(zhì)濃度遠遠低于集電區(qū)雜質(zhì)濃度 ， 容易發(fā)生基區(qū)電導調(diào)制效應(yīng) 。 對于均勻基區(qū)管： 對于緩變基區(qū)管： 強場 弱場 圖 46 基區(qū)寬度隨電流的變化 BslcrCM NqvJJ ??CslcrCMcTcCslcrCMNqvJJqWVNqvJJ??+??39。 ???68 發(fā)射極單位周長電流容量 —— 線電流密度 ? 在晶體管設(shè)計時 ， 應(yīng)按上述各式求出發(fā)生基區(qū)電導調(diào)制效應(yīng)及有效基區(qū)擴展效應(yīng)的最大電流密度 ， 選其中較小者作為設(shè)計的上限 ， 以保證在正常工作時晶體管中不會發(fā)生嚴重的基區(qū)電導調(diào)制效應(yīng)及基區(qū)擴展效應(yīng) 。 ③ 在允許的范圍內(nèi)適當提高集電結(jié)的偏壓及降低內(nèi)基區(qū)方塊電阻 。 ? 定義單位發(fā)射極周長上的電流為 線電流密度 ? 為保證不發(fā)生基區(qū)擴展效應(yīng)或基區(qū)大注入效應(yīng) ， 在設(shè)計時應(yīng)按較小的電流密度做為計算依據(jù) 。 71 晶體管最大耗散功率 PCM 最大耗散功率是從熱學角度限制晶體管最大輸出功率的參數(shù) 。 CooDoPPPPP+??h 轉(zhuǎn)換效率：72 晶體管最大耗散功率 PCM ? 晶體管耗散的功率 PC轉(zhuǎn)換成為熱量 。 ? 晶體管最大耗散功率受熱阻 、 最高允許結(jié)溫和環(huán)境溫度限制 。 晶體管熱阻包括 Sj片 、 Au— Sb片 、 Mo片及銅管座等構(gòu)成的內(nèi)熱阻 ， 以及外接觸熱阻及散熱片熱阻等 。 TAjMCMTAjC RTTPRTTP ?????當環(huán)境溫度為 T時 : AjMjMCMC TTTTPTP????)(76 晶體管最大耗散功率 PCM 最大耗散功率 熱阻 CooDoPPPPP+??h 轉(zhuǎn)換效率：小結(jié) CAjT PTTR ??TAjMCMTAjC RTTPRTTP ?????kAtRALALRPTTRIVVRTcAjT??????? 21??對片狀材料：熱路中電路中最高結(jié)溫：硅管 150~200℃ ，鍺管 85~120℃ 。 該點所對應(yīng)的電流及電壓分別稱為 二次擊穿觸發(fā)電流 ISB與 二次擊穿觸發(fā)電壓 VSB。 這段時間稱為 二次擊穿觸發(fā)時間 ， 記為 td。 ?? dtSB IV d tE01. 二次擊穿現(xiàn)象 81 二次擊穿和安全工作區(qū) ? 分析整個二次擊穿過程 ， 大致可以分為如下 四個階段 ： (1)在擊穿或轉(zhuǎn)折電壓下產(chǎn)生電流不穩(wěn)定性； (2)從高電壓區(qū)轉(zhuǎn)至低電壓區(qū) ， 即結(jié)上電壓崩落 ，該擊穿點的電阻急劇下降； (3)低壓大電流范圍：此時半導體處于高溫下 ， 擊穿點附近的半導體是本征型的； (4)電流繼續(xù)增大 ， 擊穿點熔化 ， 造成永久性損壞 。 (2)發(fā)生二次擊穿時 ， 原先大體上均勻分布的電流會急劇地集中在發(fā)射區(qū)的某一部分 ? 經(jīng)過大量實驗結(jié)果分析 ， 發(fā)現(xiàn)二次擊穿具有如下規(guī)律： (1)在 Ib＞ 0、 Ib＝ 0、 Ib＜ 0時都可以發(fā)生二次擊穿 ， 且在不同基極偏置條件下 ， 二次擊穿觸發(fā)功率 (PSB＝ ISBVSB)間滿足如下關(guān)系： PSBFPSB0PSBR 顯然 ， Ib＜ 0時 PSB最小 ， 意味著其它條件相同時基極反偏時最易發(fā)生二次擊穿 。PSB不僅與 fT有關(guān) ， 還與測量脈寬有關(guān) 。 圖 4— 24所示為某鍺功率管的實驗曲線 。 (6)在 Ib＜ 0時 ， 二次擊穿觸發(fā)能量還與外延層厚度有關(guān) 。 2. 二次擊穿的特點及實驗結(jié)果分析 87 二次擊穿和安全工作區(qū) 圖 425 PSB與外延層厚度及環(huán)境溫度的關(guān)系 2. 二次擊穿的特點及實驗結(jié)果分析 88 二次擊穿和安全工作區(qū) (7) 一般耗散功率 PCM大的晶體管 ， 集電結(jié)面積都較大 ， 這使得雜質(zhì)分布的不均勻性及缺陷數(shù)目均有所增加 ， 致使 PSB相對減小 (8)發(fā)生二次擊穿時整個晶體管無明顯的溫升 。 （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 。 這是二次擊穿時 “ 過熱點 ”溫度超過了半導體的熔點產(chǎn)生局部熔化 ， 冷卻后再結(jié)晶所致 。在缺陷處雜質(zhì)擴散快，造成結(jié)不平坦、基區(qū)寬度 Wb不均勻等。 晶體管的結(jié)面積越大，存在不均勻性的危險也越大，越易發(fā)生二次擊穿。 在其它條件均相同時 ， 采用單晶片做的功率晶體管較采用外延片做的器件的PSB大 12倍 ， 這是因為外延片缺陷較單晶片多的緣故 。 (3.) 改善及預防措施 3. 二次擊穿原因分析及改善措施 95 二次擊穿和安全工作區(qū) 發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻 對 梳狀結(jié)構(gòu)電極 ， 在每一單元發(fā)射極條上加串聯(lián)電阻 REi， (如圖 427)。 5%以內(nèi) 。 （快速型二次擊穿） Vce→ BVceo Jc=Jco=qvslNc VceBVceo。 為避免發(fā)生此種擊穿 ，外延層厚度要選得足夠厚 。 00 ?? ? bb IeIe II3. 二次擊穿原因分析及改善措施 電流較小 電壓更高 105 夾緊效應(yīng) 集中效應(yīng) 106 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 R≈rb時 ， 相當于二等值電阻對 Ic分流 ,ISB降至最小值 。 3. 二次擊穿原因分析及改善措施 108 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 發(fā)射極電流集邊效應(yīng)的影響 發(fā)射極電流夾緊效應(yīng)為主 Ib分流使 eb結(jié)注入減少 ， 臨界 Ic上升 3. 二次擊穿原因分析及改善措施 109 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 ①增加外延 層厚度，使 Wc≥BVceo/EM。 ③采用鉗位二極管。 一般用SOAR或 SOA表示 。 ?區(qū)域 V為 電流過荷區(qū) 。 ① 脈沖信號的占空比越大， PSB越小，特別是占空比大于 50％時晶體管工作狀態(tài)惡劣．極易損壞。當脈寬＞ ls時，其測量結(jié)果與直流情況無異。 這一理論又稱為熱不穩(wěn)定性理論 。 115 二次擊穿和安全工作區(qū) 2. 二次擊穿的特點及實驗結(jié)果分析 3. 二次擊穿原因分析及改善措施 1. 二次擊穿現(xiàn)象 4. 安全工作區(qū) 小結(jié) 116 本章小結(jié) 1 PN結(jié) 2 直流特性 3 頻率特性 4 功率特性 5 開關(guān)特性 （ 6， 7結(jié)型和絕緣柵場效應(yīng)晶體管） 8 噪聲特性 大電流(大注入 ) 高電壓 (擊穿 ) 大功率 集電極最大允許工作電流ICM 基區(qū)大注入效應(yīng)對電流放大系數(shù)的影響 有效基區(qū)擴展效應(yīng) 發(fā)射極電流集邊效應(yīng) 發(fā)射極單位周長電流容量 線電流密度 晶體管最大耗散功率 PCM