【正文】 擊穿原因分析及改善措施 99 二次擊穿和安全工作區(qū) 二 、 雪崩注入二次擊穿 (1.)機(jī)理分析 (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 這是一種與外延層厚度密切相關(guān)的二次擊穿。 且隨 │ Ib│ 的增大而減小 。 ②增大外延層摻雜濃度，以增大雪崩二次擊穿臨界電流密度 Jco， 但這又與提高 BVcbo相矛盾。 ?區(qū)域 Ⅲ為 雪崩注入二次擊穿區(qū) 。 ② 固定占空比時(shí)，脈沖寬度越窄， PSB越大。 這種二次擊穿是由集電結(jié)內(nèi)的電場分布及雪崩倍增區(qū)隨 Ic變化 ， 倍增多子反向注入勢壘區(qū) 而引起的 ， 故稱為雪崩注入二次擊穿 。當(dāng)集電結(jié)反偏繼續(xù)升高 ， 電流 Ic增大到某 — 值后 ,cb結(jié)上壓降突然降低而Ic卻繼續(xù)上升 ， 即出現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng) (如圖 4— 21)， 這種現(xiàn)象稱為二次擊穿 。 顯然 ， 考慮二次擊穿之后 ， 晶體管的安全工作區(qū)變小了 。鎮(zhèn)流電阻 RE可以防止正偏二次擊穿，鉗位二極管 D可以防止反偏二次 擊穿。 R減小引起 Veb下降 ， 導(dǎo)致正向注入減少 ， 只有增大 Vce(增強(qiáng)集電結(jié)雪崩倍增 )， 產(chǎn)生大量空穴流過 R才能維持 R上足夠大的壓降 ， 即維持 eb結(jié)上的正偏并從一次擊穿向二次擊穿過渡 ， 所以 VSB繼續(xù) 升高 。 若 VSB能使 Wc內(nèi)保持EM， 則維持雪崩 ， 并發(fā)生電場分布的轉(zhuǎn)移 。 3. 二次擊穿原因分析及改善措施 96 二次擊穿和安全工作區(qū) (3.) 改善及預(yù)防措施 發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻取值： 當(dāng) 發(fā)射結(jié)結(jié)溫變化為 177。 可以考慮的措施有： (1)降低 rb， 以改善發(fā)射極電流集邊效應(yīng)的影響 。 3. 二次擊穿原因分析及改善措施 93 二次擊穿和安全工作區(qū) (2.) 導(dǎo)致電流局部集中的原因 1. 大電流下 Ie的 高度集邊 。 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“ 過熱點(diǎn) ” ， 導(dǎo)致該處發(fā)生局部熱擊穿的結(jié)果 。 基區(qū)電阻越大 ， PSB越低 。 其中 m與晶體管種類及制作方法有關(guān) 。 ? 顯然 ， ESB（ 或二次擊穿觸發(fā)功率 PSB)越大 ， 發(fā)生二次擊穿越困難 ， 該晶體管 抗二次擊穿能力 越強(qiáng) 。 當(dāng)集電結(jié)反偏繼續(xù)升高 ， 電流 Ic增大到某 — 值后 ,cb結(jié)上壓降突然降低而 Ic卻繼續(xù)上升 ， 即出現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng) (如圖 4— 21)，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿 。 如果環(huán)境溫度記為 TA， 則管芯每單位時(shí)間向外部散發(fā)的熱量應(yīng)為 Q＝ K(TJ一 TA)， K為平均熱導(dǎo) 。 晶體管具有功率放大作用 ， 并不是說它本身產(chǎn)生能量 ，晶體管只是把電源的能量轉(zhuǎn)換成輸出信號的能量 ， 使輸出信號功率 Po比輸入信號功率 Pi大 Kp倍 (Kp＝ Po/Pi)。 如實(shí)在滿足不了要求 ， 只能靠加長發(fā)射極總周長來改善大電流特性 。 ]2[ ??cTcCncrCM WVNqJJ039。 為此 ， 特定義單位發(fā)射極周長上的電流為 線電流密度 ： e f fCMe f fe f fCMECMC M L SJSAILIJ ????65 發(fā)射極單位周長電流容量 —— 線電流密度 ? 上式中 JCM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) 的最大 (面 )電流密度 。 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 ， 基極電阻會大為減小 。 55 發(fā)射極電流集邊效應(yīng) 56 dyyJyIWL dyyIdrydV BbBbebBb ??????? )()()()( ?? 發(fā)射極電流集邊效應(yīng) （ 444） （ 445） ( ) ( ) ( ) ( )bEbCEBWyJWyJyJdydJ ????? 1rb的自偏壓 dyLyJdIyIdyLyJyI ecBBeEB ?++??+ )()()()(57 發(fā)射極電流集邊效應(yīng) ( ) ( ) ( ) ( ) kTyqVEkTyqVEE eJeJyJ E 00 ?? （ 446） 0 E區(qū) V Y V(Y) VE(y) V(y)—— 沿 Y方向的電勢分布 VE(y)—— 沿 Y方向 eb結(jié)上電壓分布 ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )? ? ( ) ( ) kTyqVEkTyVVqEkTyqVEEkTqVEEeJeJeJyJeJJEEE0000000????+ 58 發(fā)射極電流集邊效應(yīng) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )( ) ( )( )( )( )??????+??????????+????kTyqVJWeJWkTyqVJWeJWdyyVdEbbkTyqVEbbEEbbkTyqVEbb E10101 1110022????????（ 447） 邊界條件： ( ) ( ) 0 。crcr JJ ?39。 根據(jù)晶體管結(jié)構(gòu)和工作條件 ， 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)分三種類型 ， 有各自的擴(kuò)展規(guī)律 、 機(jī)制和臨界電流密度 。 47 cccccTcccTcnncrcTcccrccWVWVNWVqnqvJWVEJJJ??? ????????0039。2139。 40 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) 強(qiáng)場情況 （ 435） （ 436） （ 436a） 因 JcJcr39。 由于 電子的流入 ， 引起負(fù)空間電荷區(qū) （ 基區(qū)側(cè) ）電荷密度增加 ， 正空間電荷區(qū) （ 集電區(qū)側(cè) ） 電荷密度減小 。 ? 當(dāng) pND時(shí)，即特大注入情況，xm→0 ， 有效基區(qū)寬度擴(kuò)展到 cb結(jié)冶金結(jié)處。 由于大注入下基區(qū)電子擴(kuò)散系數(shù)增大一倍，可視為電子穿越基區(qū)的時(shí)間縮短一半，復(fù)合幾率下降，所以使體內(nèi)復(fù)合和表面復(fù)合均較小注入時(shí)減少一半。 第二項(xiàng) 、 第三項(xiàng)表明 ， 由于大注入下基區(qū)電子擴(kuò)散系數(shù)增大一倍 ， 可視為電子穿越基區(qū)的時(shí)間縮短一半 ， 復(fù)合幾率下降 ， 所以使體內(nèi)復(fù)合和表面復(fù)合均較小注入時(shí)減少一半 。 第一項(xiàng) ：小注入時(shí)的 發(fā)射效率項(xiàng) 。 11 在 (大注入、緩變基區(qū) )自建電場 E作用下 dxdnqDpEqJdxdpqDpEqJnnnppp+?????對多子空穴 ,動態(tài)平衡時(shí) ,擴(kuò)散流等于漂移流 , 0?pJdxxdpxpqkTEdxxdpDExppp)()(1 )()( ????dxdnnNqkTEnNNdxdnnNdxdNNnNNqkTnNdxdnNqkTExnxNxpbbBbbBBbbBBBbBBbBbBbB+++?+++?++?+?1)11()(1)()()(12 dxdnnNqkTEnNNdxdnnNdxdNNnNNqkTnNdxdnNqkTEbbBbbBBbbBBBbBBbBbB+++?+++?++?1)11()(1 第一項(xiàng)是緩變基區(qū)自建電場分量 ,隨注入水平提高 (nb增大 )而減小。 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)分布情況無關(guān)（均勻基區(qū)和緩變基區(qū)一樣）。 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)系見圖 41。 0])0()0(1[)0(?++? pnb xbbbbbne nNnWnqDJ??bbnbnebbWnDqJNn)0()2(12)0(????? ，上式變?yōu)轫?xiàng)時(shí)，方括號中第當(dāng) ?8 對于 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 。 這是 因?yàn)樵诖笞⑷霔l件下的緩變基區(qū)中 ， 大注入自建電場對基區(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 ， 而是按照基區(qū)大注入自建電場的要求去重新分布 。 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 ） 參見圖 215c、 d。 （ 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。 ?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)分布情況無關(guān)（均勻基區(qū)和緩變基區(qū)一樣）。 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 。 ][ ??+?pNNpNNxxADDAnn當(dāng)認(rèn)為 pN A ??則 2139。 37 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) 強(qiáng)場情況 弱場情況 nNN AA +?nNN DD ??38 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) 強(qiáng)場情況 slcslnccqvJnnqvJJ???（ 433） （ 432） （ 434） ( ) ( )( ) ( )0)1(0)(00Ex