半导体器件物理双极型晶体管功率特性.ppt

2、外延层穿通 (1) 外延层穿通现象 外延层厚度太薄时，造成集电区厚度Wc过薄，当集电结发生雪崩击穿之前，空间电荷区xdc已扩展到衬底n+层，即出现外延层穿通。 ?(2) 外延层穿通时的BC结击穿电压 上式中，BV为由集电区电阻率决定的击穿电压 （Xd）m为击穿电压等于BV时的耗尽层宽度 WC为集电区厚度 ?P-N-（外延层）-N+（衬底）外延结构的击穿电压，低于BV（P-N-），高于BV（P-N+）。 ? 参考：P-N+击穿电压变小的原因，重掺杂区对电场起“屏蔽”作用，即空间电荷区集边不向重掺杂区再扩展，这样使得再增加的电场都叠加在原来的空间电荷区上，使得空间电荷区中电场强度升高的更厉害，从而导致击穿电压降低。 3、外延层参数的设计考虑 (1) 根据BVCBO的要求确定外延层电阻率，确保工作期间不出现BC结击穿。已有实际经验数据可供参考。 (2) 按照BC结击穿时不出现外延层穿通的要求确定外延层厚度。 芯片总厚度等于外延层厚度和衬底厚度之和。 外延层厚度（Wepi）主要由集电结结深xjc，集电区厚度、衬底杂质范扩散深度XR、表面SiO2消耗的厚度决定。 双极晶体管安全工作区 游海龙 一、双极晶体管的二次击穿 1、二次击穿现象 以零偏为例： 当电压VCE增大到D点时，集电结发生雪崩效应，晶体管电流上升到B点，经过一短暂的时间后，电压将会突然减小到E点，同时电流急剧增大，如果没有适当的保护措施（限流措施），电流将会继续增大，从而造成晶体永久性损伤。 二次击穿：晶体管从高电压小电流向低电压大电流跃变并伴随着电流急剧增大的现象，称为二次击穿。 2、二次击穿的特点 首先集电结的反偏电压达到一定值，使其出现雪崩击穿，即一次击穿。一次击穿的特点，在电流急剧增加的过程中，集电结维持电压基本保持不变。 在二次击穿点（B点）停留的时间称为二次击穿的延迟时间。存在延迟时间表明，从一次击穿到二次击穿，在晶体管内部需要积累和消耗一定能量。二次击穿耐量 。对于不同类型的二次击穿，这一延迟时间的长短相差很大。短的几乎瞬时，长的us数量级。 从B点到E点的过渡几乎是瞬时的，晶体管的状态不可能稳定在B-E这一区域内，而且，E点不可逆。即使晶体管回到触发前的状态，但重复几次仍然会使晶体管变成永久性失效。 在E点的电压称为二次击穿的维持电压。维持电压一般都在10~15V左右。 3、二次击穿的机理 二次击穿主要是由于芯片内部局部过热引起的。 在正向偏置时，温度升高主要是由热不均衡性引起的。由于晶体管的结面上有缺陷和参数分布不均匀，导致电流分布不均匀，从而因此温度分布不均匀。温度高的局部区域载流子浓度将增加，使电流更加密集，这种恶性循环形成热不稳定性。如果局部区域所产生的热量不能及时散发，将使电流上升失去控制，一旦温度达到材料熔点，便造成永久性损伤。 反向偏置时，温度升高是由雪崩击穿引起的。由于发生一次雪崩击穿后，在某些点上因电流密度过大，改变了结电场分布，产生负阻效应，从而使局部温度过高。 二次击穿最终是由于局部过热而引起的。而热点的形成需要能量的积累，即需要一定的电压、电流和一定的时间。因此，集电极电压、电流、负载性质、导通脉冲宽度、基极电路的配置以及材料、工艺等因素都对二次击穿有一定影响。 4、二次击穿对晶体管安全工作范围的限制 5、避免二次击穿的措施 1）避免电流集边效应 2）加镇流电阻（在发射极上）形成负反馈 二次击穿在正偏（IB0）、反偏（IB0）和基极开路(IB=0)状态下都存在。不同条件下二次击穿触发点的连线称为二次击穿临界线或二次击穿功耗线。二次击穿临界线限定了发生二次击穿的工作区域。 3）增加集电区宽度WC，一般考虑到频率特性，一般采用多层集电区结构。选取杂质浓度n+ n2 n1 4）加入嵌位二极管，使BVdiode BVCBO 肖特基箝位BJT与NPN晶体管的对比 NPN晶体管 肖特基箝位晶体管 二、晶体管的最大功耗与热阻 1、晶体管功耗与结温 当晶体管工作时，电流流过发射结、集电结和体串联电阻都会产生功率耗散，因此总耗散功率： 正常工作状态下，发射结正偏电压VBE远小于集电结反压VCB，体串联电阻rCs也很小，因此晶体管的功率主要耗散在集电结上， 耗散功率转化为热量，使集电结成为晶体管的发热中心。 若直流电源提供给晶体管的功率为PD，则输出功率PO=PD-PC，效率： ? 显然电路的输出功率PO受晶体管本身耗散功率PC限制。 最高结温：耗散功率转化为热量，将使集电结温度升高，本征载流