【正文】 這一理論又稱為熱不穩(wěn)定性理論 。 ① 脈沖信號(hào)的占空比越大， PSB越小，特別是占空比大于 50％時(shí)晶體管工作狀態(tài)惡劣．極易損壞。 一般用SOAR或 SOA表示 。 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。 為避免發(fā)生此種擊穿 ，外延層厚度要選得足夠厚 。 5%以內(nèi) 。 在其它條件均相同時(shí) ， 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?yàn)橥庋悠毕葺^單晶片多的緣故 。在缺陷處雜質(zhì)擴(kuò)散快，造成結(jié)不平坦、基區(qū)寬度 Wb不均勻等。 （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 。 (6)在 Ib＜ 0時(shí) ， 二次擊穿觸發(fā)能量還與外延層厚度有關(guān) 。PSB不僅與 fT有關(guān) ， 還與測(cè)量脈寬有關(guān) 。 ?? 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(gè)二次擊穿過(guò)程 ， 大致可以分為如下 四個(gè)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(diǎn)的電阻急劇下降； (3)低壓大電流范圍：此時(shí)半導(dǎo)體處于高溫下 ， 擊穿點(diǎn)附近的半導(dǎo)體是本征型的； (4)電流繼續(xù)增大 ， 擊穿點(diǎn)熔化 ， 造成永久性損壞 。 該點(diǎn)所對(duì)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。 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 。 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 。 ? 定義單位發(fā)射極周長(zhǎng)上的電流為 線電流密度 ? 為保證不發(fā)生基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)或基區(qū)大注入效應(yīng) ， 在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按較小的電流密度做為計(jì)算依據(jù) 。 ???68 發(fā)射極單位周長(zhǎng)電流容量 —— 線電流密度 ? 在晶體管設(shè)計(jì)時(shí) ， 應(yīng)按上述各式求出發(fā)生基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)及有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)的最大電流密度 ， 選其中較小者作為設(shè)計(jì)的上限 ， 以保證在正常工作時(shí)晶體管中不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)及基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) 。 一般說(shuō)來(lái) ， 合金型晶體管基區(qū)雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于集電區(qū)雜質(zhì)濃度 ， 容易發(fā)生基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) 。 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(zhǎng)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(zhǎng)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(jì)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(shí)所對(duì)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(shí)，時(shí)，的定義：根據(jù)( ) ( )21]01[Ebbe f f JqkTWS?? ??（ 449） 可代替 JE(0)計(jì)算 Seff， 意義更明顯，運(yùn)用更方便。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(shí)際晶體管中 ， 基極電流平行于結(jié)平面流動(dòng) ? 基極電流在狹長(zhǎng)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(shí)際電壓 ， 導(dǎo)致各處實(shí)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(kuò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jì)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) 。 ： 時(shí) ， 開始擴(kuò)展 。039。39。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 。 當(dāng)電流密度很大時(shí) ， 載流子 —— 電子的濃度達(dá)到以至超過(guò)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(fù)電荷區(qū) ， 正負(fù)電荷區(qū)邊界改變 ， 發(fā)生有效基區(qū)擴(kuò)展 。 39。 ? 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) ?；鶇^(qū)渡越時(shí)間都趨于 Wb2/4Dnb bbnbne WNqDJ )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。 若基區(qū)電子壽命為 ?nb， 則 （ 415） )1(39。 第二項(xiàng)是大注入自建電場(chǎng)分量，隨 注入水平提高 (nb增大，梯度增大 )而增大 （并在 nbNB時(shí)趨于常數(shù)） 。 僅僅是數(shù)學(xué)形式上得到的推論。 ?晶體管的電流放大系數(shù)主要決定于 g和 b*， 分析大電流下哪些特殊效應(yīng)使 g和 b*發(fā)生哪些變化。 為了衡量晶體管電流放大系數(shù)在大電流下的下降程度 ，特定義 :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 5 基區(qū)大注入效應(yīng)對(duì)電流放大系數(shù)的影響 b隨 IC的增加而下降：發(fā)射效率 g、 基區(qū)輸運(yùn) b*、（ 勢(shì)壘、表面）復(fù)合 基區(qū)大注入效應(yīng) 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) 均勻基區(qū)，緩變基區(qū)（強(qiáng)場(chǎng)、弱場(chǎng)） 6 基區(qū)大注入效應(yīng)對(duì)電流放大系數(shù)的影響 （以 npn管為例） 大注入時(shí)，大注入自建電場(chǎng)作用下通過(guò) n+p結(jié)的電子電流密度為： 對(duì)于均勻基區(qū)晶體管 （ 148） pxxpppppn dxxdnxpxnqDJ?+?)(])()(1[)0()()()0()()()(00bbpppppbpppppppnNxppxpnxnxnnxn?????+?+???+?nbbbbp LWWndxxdn ??? 因?yàn)? )0()(7 （ 41） （ 42） 與第二章小注入情況相比： 由于大注入自建電場(chǎng)的漂移作用， 同樣的注入邊界濃度下 Dnb2Dnb， JnE增大一倍； 同樣的 JnE， 邊界濃度及梯度只需一半。 9 a圖以電場(chǎng)因子 h為參量，同圖 213； b圖以 d即 Jne為 qDnbNb(0)/Wb的倍數(shù)為參量，表示注入水平（在 h?8時(shí)） 。 故，特大注入時(shí)，只有大注入自建電場(chǎng)起作用，而且其作用的極限是使基區(qū)少子分布梯度相當(dāng)于小注入時(shí)的一半。bpebbepebbeNnLWLW ????? +?nbbbe nqWAI??2)0(Vb ? 20 基區(qū)大注入效應(yīng)對(duì)電流放大系數(shù)的影響 （ 416） （ 41） 第四項(xiàng)：基區(qū)表面復(fù)合項(xiàng) ， 表示基區(qū)表面復(fù)合電流與發(fā)射極電子電流之比 。 ?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。 ? 所對(duì)應(yīng)的最大電流稱為 空間電荷限制效應(yīng)限制的最大集電極電流 。nn xx ?])1(1[)1(1[])1(1[])1(1[21021039。 35 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) 圖 47 緩變基區(qū)晶體管 cb結(jié)空間電荷區(qū)電場(chǎng)分布 圖 45 均勻基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴(kuò)展 P+ n 0 xp xn Xn” Wb Wb’ Wcib E 36 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) 由于 電流密度 與載流子 濃度 、 載流子漂移 速度 成正比 ，半導(dǎo)體中載流子 遷移率 （ 漂移速度 ） 又隨 電場(chǎng)強(qiáng)度 而變化 ， 所以 ， 不同電場(chǎng)強(qiáng)度下 ， 同樣的電流密度可有不同的載流子濃度 ， 對(duì)空間電荷的補(bǔ)償作用及規(guī)律也不同 。 xJJqNxEcrcrD )1()(39。DslcDslcrcbb NqvJNqvJWWW???+?42 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) 強(qiáng)場(chǎng)情況 ? 緩變基區(qū)晶體管集電結(jié)空間電荷區(qū)主要向集電區(qū)側(cè)擴(kuò)展 ? 大量載流子流過(guò)電荷區(qū) ， 改變其中電荷密度 ? 強(qiáng)場(chǎng)時(shí) ， 載流子達(dá)到極限漂移速度 ， 電流增大 ， 載流子濃度增大 ? Jc=Jcr=qNDvsl時(shí) ， 載流子電荷恰好中和集電區(qū)電荷 ， 正負(fù)電荷分布在集電區(qū)兩側(cè) ? Jc=Jcr39。39。 ? 由于 的變化 ， 改變了空間電荷區(qū)電場(chǎng)和電荷分布 ， 出現(xiàn)有效基區(qū)擴(kuò)展 ， 本質(zhì)上都是集電結(jié)空間電荷區(qū)總電荷在一定的集電結(jié)偏壓作用下恒定的限制所造成的 ， 故也稱集電結(jié)空間電荷區(qū)電荷限制效應(yīng) 。 ? 這種效應(yīng)是由于基區(qū)體電阻的存在引起橫向壓降所造成的 ， 又稱之為 基極電阻自偏壓效應(yīng) 。 )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) 有關(guān)定義均以發(fā)射極寬度等于有效寬度為前提。 Seff稱為有效半寬度 。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) 。 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 。 ? 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 。 一部分散發(fā)到環(huán)境中；一部分使結(jié)溫升高 。總熱阻 應(yīng)為各部分熱阻串聯(lián)之總和 。 ? 晶體管在 Ib＞ 0、 Ib＝ 0、 Ib＜ 0條件下均可發(fā)生二次擊穿 ， 分別稱之為 基極正偏二次擊穿 、 零偏二次擊穿 和 反偏二次擊穿 。 上述一系列過(guò)程僅僅發(fā)生在 ms— ?s范圍內(nèi) 。 在 fT相同時(shí) ， 脈寬越窄 ，PSB越高 。隨著外延層厚度的增加 PSB也增大 。 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 ， 故稱為雪崩注入二次擊穿 。 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。 (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 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。 （ 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)