【正文】 中心計算的 。cmccrcrcWxJJJ +??ccTCccrc WVNqvJJ????39。被稱為平面管強(qiáng)場下有效基區(qū)擴(kuò)展的 臨界電流密度 ? 感應(yīng)基區(qū)擴(kuò)展的極限是 nn+交界面 小結(jié) 43 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) 弱場情況 44 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) 弱場情況 ? 如果 Jc=Jcr=qvslND(NA)時 ， cb結(jié)勢壘區(qū)場強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度增大 ， 發(fā)生緩變基區(qū)晶體管弱場下的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) ？ 45 有效基區(qū)擴(kuò)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 。 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)(00ExJJqNxEExqvJNqxEcrcDslcD+??+?????? )(0nNqdxdE D ?? ??39 ( ) ( )( ) ( )0)1(0)(00ExJJqNxEExqvJNqxEcrcDslcD+??+?????? 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) 強(qiáng)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。 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 。 （ 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基區(qū)內(nèi)的注入電子濃度。 這是 因為在大注入條件下的緩變基區(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 ， 這時雜質(zhì)電離生成的多子不再象小注入時那樣向集電結(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 。 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。 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 ,擴(kuò)散流等于漂移流 , 0?pJdxxdpxpqkTEdxxdpDExppp)()(1 )()( ????dxdnnNqkTEnNNdxdnnNdxdNNnNNqkTnNdxdnNqkTExnxNxpbbBbbBBbbBBBbBBbBbBbB+++?+++?++?+?1)11()(1)()()(12 dxdnnNqkTEnNNdxdnnNdxdNNnNNqkTnNdxdnNqkTEbbBbbBBbbBBBbBBbBbB+++?+++?++?1)11()(1 第一項是緩變基區(qū)自建電場分量 ,隨注入水平提高 (nb增大 )而減小。 第二項 、 第三項表明 ， 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)合均較小注入時減少一半 。 ? 當(dāng) pND時，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。 40 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) 強(qiáng)場情況 （ 435） （ 436） （ 436a） 因 JcJcr39。 47 cccccTcccTcnncrcTcccrccWVWVNWVqnqvJWVEJJJ??? ????????0039。crcr JJ ?39。 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 。 ]2[ ??cTcCncrCM WVNqJJ039。 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)。 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 。 其中 m與晶體管種類及制作方法有關(guān) 。 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 ” ， 導(dǎo)致該處發(fā)生局部熱擊穿的結(jié)果 。 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 。 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 。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。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 。 ② 固定占空比時，脈沖寬度越窄， PSB越大。 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。 97 二次擊穿和安全工作區(qū) (3.) 改善及預(yù)防措施 3. 二次擊穿原因分析及改善措施 采用鎮(zhèn)流電阻的方式： 98 二次擊穿和安全工作區(qū) (3.) 改善及預(yù)防措施 3. 二次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。 4. 總的 IE在各小單元發(fā)射區(qū)上分配不均勻，邊緣處散熱能力強(qiáng)，中心處散熱能力差，造成中心部位 Tj較高，故二次擊穿后熔融點多在中心部位。 同時發(fā)現(xiàn) ， 隨著外延層厚度的減薄 ， 環(huán)境溫度 TA對 PSB的影響越來越小 。 如果沒有保護(hù)電路 ， 晶體管很快被燒毀 。 晶體管中的實際情況遠(yuǎn)比上述分析復(fù)雜得多，這是因為，①各部位并非均為嚴(yán)格的片狀材料；②熱流方向不可能是一維的；③電流在集電結(jié)非均勻分布，④強(qiáng)迫冷卻條件的變 化； …… 這些因素都使得熱阻的計算既復(fù)雜又粗略，故一般都通過實驗來確定。 ? 按有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)計算 ， 定義：基區(qū)開始擴(kuò)展時的臨界電流密度為最大集電極電流密度 。 66 發(fā)射極單位周長電流容量 —— 線電流密度 ? 按 基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) 計算 ， 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)濃度時所對應(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 。 當(dāng)發(fā)射極寬度大于有效寬度時 ， 可認(rèn)為中心附近區(qū)域 （ Seff之外區(qū)域 )對器件工作不起作用 ， 或沒有電流 （ 實際很小 ） 。 Dslcrc NqvJJ ?? )211(0 ?? mc ib xW])(1[ 239。時 ， E(0)=0； Jcr39。 緩變基區(qū)晶體管的有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)分 強(qiáng)場 和 弱場 兩種情況： 在強(qiáng)場中 ， 載流子以極限漂移速度運(yùn)動 ， 電流的增大依靠載流子濃度的增大； 在弱場中 ， 電流的增大依靠載流子漂移速度的增大（ 電場有限地增大 ） ， 載流子濃度可以不變 。 ? 由于合金管與平面管集電結(jié)兩側(cè)摻雜情況不同 ， 空間電荷區(qū)內(nèi)的電荷分布及改變規(guī)律不同 ， 受電流變化的影響也不同 。 將式 (2— 66)與式 (4— 1)相比 ，即可得到大注入下基區(qū)表面復(fù)合項 。 bbnbne WnqDJ )0(2?10 結(jié)論： 大注入對緩變基區(qū)晶體管基區(qū)電子及其電流密度的影響與對均勻基區(qū)晶體管的相似 。 ?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。對于均勻基區(qū)，此項自然為零。 缺勢壘復(fù)合項 22 圖 43 1/b隨 Ie的變化 ? 在小電流下，大注入自建電場的作用使基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)增加 （極限 2倍） ? 在大電流下，基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)引起發(fā)射效率下降 （起主要作用） 23 緩變基區(qū)中， 大注入自建電場 的作用破壞了 緩變基區(qū)自建電場 ，在特大注入時，基區(qū)少子完全受大注入自建電場的作用，和均勻基區(qū)情況一樣，擴(kuò)散系數(shù)增大一倍。 ? 當(dāng) p=ND時， Jc=Jcr, xm= xm0. 21 32 有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng) 實際上，由： （ 192） 當(dāng) 時， pNNpNN AADD ??+? 。開始有效基區(qū)擴(kuò)展 ， 故 Jcr39。39。39。 但一般難于計算 ， 可通過實驗測得