【正文】 JJqNxEExqvJNqxEcrcDslcD+??+?????? )(0nNqdxdE D ?? ??39 ( ) ( )( ) ( )0)1(0)(00ExJJqNxEExqvJNqxEcrcDslcD+??+?????? 有效基區(qū)擴展效應(yīng) 強場情況 （ 434） ， 耗盡層近似； Jc增大 ， 斜率下降 ， 斜線變平緩； Jc=Jcr=qNDvsl時 ， E(x)=E(0)， 正負(fù)電荷在 n區(qū)兩側(cè)； JcJcr時 ， n區(qū)出現(xiàn)負(fù)電荷 ， 曲線斜率為負(fù) ，在 Jc=Jcr39。cDTccrcDcDcrcr WqNVJWqNVVJJ ???? +??+?]2[ 2039。被稱為平面管強場下有效基區(qū)擴展的 臨界電流密度 ? 感應(yīng)基區(qū)擴展的極限是 nn+交界面 小結(jié) 43 有效基區(qū)擴展效應(yīng) 弱場情況 44 有效基區(qū)擴展效應(yīng) 弱場情況 ? 如果 Jc=Jcr=qvslND(NA)時 ， cb結(jié)勢壘區(qū)場強小于 104V/cm,則處于弱場情況 ? 載流子在勢壘區(qū)中尚未達(dá)到極限漂移速度 ， 載流子的漂移速度與電場強度成正比 ? 電流 (Jc=qvn)的增加依靠載流子速度的提高來實現(xiàn) ? 載流子速度的提高依靠電場強度的提高 ? 此時 n=Nc， 集電結(jié)勢壘區(qū)內(nèi)凈電荷為零 ， 電場保持均勻 ? 隨著 Jc增大 ， 勢壘區(qū)保持均勻電場向襯底收縮 ， 同時均勻的電場強度增大 ， 發(fā)生緩變基區(qū)晶體管弱場下的有效基區(qū)擴展效應(yīng) ？ 45 有效基區(qū)擴展效應(yīng) 弱場情況 ? 當(dāng) n=Nc時 ， 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 。039。cmccrcrcWxJJJ +??ccTCccrc WVNqvJJ????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)擴展效應(yīng) ，同時使發(fā)射結(jié)面積不能充分利用 ， 因而有必要對發(fā)射區(qū)寬度的上限作一個規(guī)定 。 上述討論以 y=0為坐標(biāo)原點 ， 但 Seff是從發(fā)射極邊緣向中心計算的 。 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 。 對于均勻基區(qū)管： 對于緩變基區(qū)管： bBnbEM WNqDJ ?bBnbEM WNqDJ ?0])0()0(1[)0(?++? pxbbbbbnbne nNnWnqDJ??(41) 67 發(fā)射極單位周長電流容量 —— 線電流密度 ? 按 有效基區(qū)擴展效應(yīng) 計算 ， 定義：基區(qū)開始擴展時的臨界電流密度為最大集電極電流密度 。 對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 。 ? 改善大電流特性 ， 就是指設(shè)法將 b0或 fT開始下降的電流提高一些 ， 或者說是如何提高集電極最大工作電流 ICM的問題 。 ? 晶體管最大耗散功率 PCM不僅限制了晶體管的工作點 ， 也通過轉(zhuǎn)換效率限制其輸出功率 (圖 418)。 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時所對應(yīng)的耗散功率。 ? 從發(fā)生雪崩擊穿并到達(dá) A點至發(fā)生二次擊穿 ， 這中間僅需 ms?s數(shù)量級的時間間隔 。 1. 二次擊穿現(xiàn)象 82 二次擊穿和安全工作區(qū) 2. 二次擊穿的特點及實驗結(jié)果分析 ? 分析二次擊穿現(xiàn)象 ， 發(fā)現(xiàn)有如下顯著持點： (1)從高壓低電流區(qū)急劇地過渡到低壓大電流區(qū) 、 呈現(xiàn)負(fù)阻特性 。 ( ) fmTfSB fKP ??2. 二次擊穿的特點及實驗結(jié)果分析 84 二次擊穿和安全工作區(qū) 圖 423 PSB與 fT測量脈寬的關(guān)系 2. 二次擊穿的特點及實驗結(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) 。如 圖 4— 25所示 。 對 Ib＞ 0時發(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) 。 5. 由于燒結(jié)不良形成空洞而造成的局部熱阻過大，使該處結(jié)溫升高，電流增大。 這是解決正偏二次擊穿的一個有效方法 。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。 Ib0情況可視為 e、 b間并聯(lián)電阻 R， 此時 Ic=Ie+Ib 故 較小電流 （ Ie)下 ， 由于發(fā)射結(jié)勢壘復(fù)合作用 ， ?也較小 ， 欲使一次雪崩 ?M→ 1,M應(yīng)更大 ， VSB更大 。可考慮采用圖 435所示的雙層集電區(qū)結(jié)構(gòu)。 ?區(qū)域 Ⅳ為 雪崩擊穿區(qū) 。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。 1. 二次擊穿現(xiàn)象 Ib0時， 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， Ic極小，則更容易發(fā)生雪崩注入二次擊穿。 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 ， 發(fā)生雪崩擊穿 ， 電流急劇上升 。 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 )。如圖 436。 R進(jìn) — 步減小 ， Ib增大 ， 達(dá)到臨界電流密度時的 Ic也增大 (流過 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 。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,電場均勻分布 VceBVceo, nNc, 最大場強轉(zhuǎn)移到 x=Wc處 雪崩空穴流過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 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 ， 發(fā)生雪崩使 n→N c， 若沒有 VSB維持 Wc內(nèi)的 EM，則不能維持雪崩 （ 為強場下的有效基區(qū)擴展 ） 。如果由于熱不穩(wěn)定 ,在某一 (3.) 改善及預(yù)防措施 點電流集中 ， 該點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)而使通過該單元的電流自動減小 ， 避免了電流進(jìn)一步增加而誘發(fā)的二次擊穿 。 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 。 所以二次擊穿后 ， 晶體管往往發(fā)生c、 e穿通 。 2. 二次擊穿的特點及實驗結(jié)果分析 89 二次擊穿和安全工作區(qū) ? 二次擊穿的機理較為復(fù)雜 ， 至今尚沒有一個較為完整的理論對二次擊穿做嚴(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 。 由圖可見 。 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不是相互獨立的 ， 而是滿足關(guān)系式 ISB∝VSBm。 ? 在 td時間內(nèi) ， 消耗在晶體管中的能量 稱為 二次擊穿觸發(fā)能量 。 77 二次擊穿和安全工作區(qū) 1. 二次擊穿現(xiàn)象 2. 二次擊穿特點及實驗結(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 ， 發(fā)生雪崩擊穿 ，電流急劇上升 。 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間所能散發(fā)出去的熱量，多余的熱量將使結(jié)溫 Tj升高。 這是設(shè)計 、 制造大功率晶體管必須考慮的重要參數(shù)之一 。 其中 ① 、 ② 兩項可調(diào)整的范圍大些 ， 但第 ① 項又受擊穿電壓指標(biāo)的限制 ， 第 ② 項受成品率等的限制 ， 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 。2039。 ( ) ( )21?????????????? Ebbef f JqkTWS ??64 發(fā)射極單位周長電流容量 —— 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 。 圖 417 沿發(fā)射極條長方向的電流分布 62 發(fā)射極電流集邊效應(yīng) ? 大電流下 ， 計算基極電阻時 ， 發(fā)射極電流均勻分布的假設(shè)不再成立 。 Seff稱為有效半寬度 。cJcrcr JJ ?39。ccDccbbccDccci bci bccTccci bcrWVVJNqWWWWVVJNqWWWWVJWJJ???+???????????時，感應(yīng)基區(qū)寬度為當(dāng)48 有效基區(qū)擴展效應(yīng) 小結(jié) ? 有效基區(qū)擴展效應(yīng)是大電流 （ 密度 ） 下造成晶體管電流放大系數(shù)下降的重要原因之一 。 ? 外加電壓不變 ， 電場分布曲線包圍面積不變 ， E(x)曲線包圍區(qū)域隨 Jc增大而變窄 、 增高 ， 直至達(dá)到強場 ， n才可以大于 Nc， v=vsl。 41 有效基區(qū)擴展效應(yīng) 強場情況 （ 437） （ 438） （ 439） ])( 2[ 20c i bcTcDslc WWqVNqvJ?+???])(1[])(1[2139。時 ， 發(fā)生基區(qū)擴展效應(yīng) 。 當(dāng)大量載流子 —— 電子穿過集電結(jié)空間電荷區(qū)時 ， 引起另一種類型的有效基區(qū)擴展效應(yīng) 。n0022??+???? xxpNqdxd D??????)()()()(000000cDpnnpxxxslcxDxVVdE d xxExdExdxqvJNqdxdxdExpnmmmmm???????????+???????????????????? 30 21210 )1(])(2[ ?+???crcDcDm JJqNVVx ?? 有效基區(qū)擴展效應(yīng) （ 426） 右邊： （ 427） 得到： （ 429） 令： （ 428） xm0 )2()