【正文】 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(dǎo)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(yán)重的基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)及基區(qū)擴展效應(yīng) 。 所謂改善大電流特性 ， 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 。 ③ 在允許的范圍內(nèi)適當(dāng)提高集電結(jié)的偏壓及降低內(nèi)基區(qū)方塊電阻 。 如實在滿足不了要求 ， 只能靠加長發(fā)射極總周長來改善大電流特性 。 ? 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) 。 ? 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 。 71 晶體管最大耗散功率 PCM 最大耗散功率是從熱學(xué)角度限制晶體管最大輸出功率的參數(shù) 。 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)。 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 。 ? 晶體管在進行功率放大時 ， eb結(jié)正偏 ， cb結(jié)反偏 ， cb結(jié)的結(jié)電阻遠(yuǎn)大于 eb結(jié)的結(jié)電阻 ， 故晶體管的功率消耗主要在集電結(jié) ， 發(fā)熱也主要在集電結(jié) 。 ? 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 。 如果環(huán)境溫度記為 TA， 則管芯每單位時間向外部散發(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 。 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。 TAjMCMTAjC RTTPRTTP ?????當(dāng)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℃ 。 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 。 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。 1. 二次擊穿現(xiàn)象 80 二次擊穿和安全工作區(qū) 圖 422 二次擊穿臨界線 ? 將不同 Ib下的觸發(fā)點 A連成曲線 ， 得到二次擊穿臨界線 (圖 422)。 這段時間稱為 二次擊穿觸發(fā)時間 ， 記為 td。 ? 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 。 ?? 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(dǎo)體處于高溫下 ， 擊穿點附近的半導(dǎo)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 。 如果沒有保護電路 ， 晶體管很快被燒毀 。 (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 。 其中 m與晶體管種類及制作方法有關(guān) 。PSB不僅與 fT有關(guān) ， 還與測量脈寬有關(guān) 。 如圖 423所示 。 圖 4— 24所示為某鍺功率管的實驗曲線 。 基區(qū)電阻越大 ， PSB越低 。 (6)在 Ib＜ 0時 ， 二次擊穿觸發(fā)能量還與外延層厚度有關(guān) 。 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 。 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 。 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 。 （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 。 90 二次擊穿和安全工作區(qū) 一 、 電流集中二次擊穿 (1.)機理分析 (2.) 導(dǎo)致電流局部集中的原因 (3.) 改善及預(yù)防措施 3. 二次擊穿原因分析及改善措施 91 二次擊穿和安全工作區(qū) 電流局部集中 局部結(jié)溫升高 電流隨結(jié)溫指數(shù)增加 局部達到本征溫度 形成過熱點 集電結(jié)耗盡層本征導(dǎo)電 Vce下降，電流急劇上升 熔點溫度，永久破壞 二次擊穿 電流集中二次擊穿 一次熱擊穿 3. 二次擊穿原因分析及改善措施 92 二次擊穿和安全工作區(qū) Ib＞ 0時的二次擊穿就屬于此種 。 這是二次擊穿時 “ 過熱點 ”溫度超過了半導(dǎo)體的熔點產(chǎn)生局部熔化 ， 冷卻后再結(jié)晶所致 。 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 。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。 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，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。 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。 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 。 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 。 (4)采用 發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻 。 (3.) 改善及預(yù)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)。 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。 5%以內(nèi) 。 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。 （快速型二次擊穿） Vce→ BVceo Jc=Jco=qvslNc VceBVceo。 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 。 為避免發(fā)生此種擊穿 ，外延層厚度要選得足夠厚 。 且隨 │ Ib│ 的增大而減小 。 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(dāng) R≈rb時 ， 相當(dāng)于二等值電阻對 Ic分流 ,ISB降至最小值 。 R減小引起 Veb下降 ， 導(dǎo)致正向注入減少 ， 只有增大 Vce(增強集電結(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 。 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。 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。 ③采用鉗位二極管。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。 一般用SOAR或 SOA表示 。 ?區(qū)域 Ⅲ為 雪崩注入二次擊穿區(qū) 。 ?區(qū)域 V為 電流過荷區(qū) 。 顯然 ， 考慮二次擊穿之后 ， 晶體管的安全工作區(qū)變小了 。 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。 ② 固定占空比時，脈沖寬度越窄， PSB越大。當(dāng)脈寬＞ ls時，其測量結(jié)果與直流情況無異。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 。 這一理論又稱為熱不穩(wěn)定性理論 。 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 。 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