功率NPN双极型晶体管.ppt

功率NPN双极型晶体管 主要内容 一、NPN功率晶体管的失效机理 1、发射极去偏置 2、热击穿和二次击穿 3、基区扩展效应 二、功率NPN晶体管的版图 1、叉指状发射极晶体管 2、宽发射区窄接触孔晶体管 3、圣诞树结构器件 4、十字形发射极晶体管 三、总结 一、NPN功率晶体管的失效机理 困扰功率双极型晶体管设计的3个最主要的问题是：发射极去偏置、热击穿和二次击穿。这3个问题都是由功率晶体管中典型的高电流和高功耗所引起的。这些机制在小信号晶体管中不会引起问题，但是却对功率晶体管的设计造成了很大的限制。 1、发射极去偏置 发射极去偏置是指功率双极型晶体管中可能发生的不均匀的电流分布，这是由于外基区、发射区及各自连线上的电压降引起的。双极型晶体管的高跨导（ ， ）使得这些器件对于发射结偏压的变化非常敏感。基极或发射极引线上很小的压降就会从根本上导致流过晶体管的电流重新分布，因此晶体管的某些部分可能只有很少的或者没有电流通过，而其它部分却要承载超过设计额定值的电流。晶体管的这些过载部分很容易发生热击穿和二次击穿。 指间去偏置 如图，这是功率晶体管各指状发射区间产生的发射极去偏置的实例。在对应的电路图中，晶体管Q1~Q4分别代表4个发射极，电阻R1、R2、R3分别代表将各发射极连接在一起的金属连线电阻。假设每个发射极流过50mA的电流，每个电阻由方块阻值为12mΩ/■的铝线构成。3个电阻上的总压降为3.6mV。用 表示两晶体管间发射结电压差，则发射极电流比为 ，所以最左边与最右边的发射极电流比为1.15，因此最右边的发射极Q4比最左边的Q1多导通15%的电流。由于 ， 所以对于更薄的金属化系统，各发射极连接在一起的金属连线电阻就越大，产生的压降也就变大，导致发射极电流比变大，去偏置问题也就越严重。 减小去偏置的措施 上面的例子展示了发射极去偏置的严重程度——相对较小的电流流过短而宽的连线产生了3.6mV的去偏置。一种称为发射极限流的技术可以大大减小去偏置的影响。这种方法要求在每个发射极连线中插入电阻（如左图），这些电阻的大小要求在额定电流下压降为50~75mV。例如，每个导通50mA电流的指状发射极可采用1Ω的限流电阻，这些电阻加入电路之后将促使发射极电流在每个指状发射极之间重新平均分配。 指内去偏置 在单个指状发射区内也会产生发射极去偏置现象。随着电流沿发射指流动，压降增加，指的一端会有更大的发射结电压，因此比另一端传导的电流更多。沿长发射指的去偏置实际上比各指之间的去偏置更为严重。对于上图中的窄发射指，从一端到另一端的压降不应超过5mV。假设宽度恒定的发射极连线通过发射指，而且沿连线长度方向每一部分流入发射极连线的电流相等，那么从连线一端到另一端的总压降可以表示为 减小指内去偏置 由上式得，发射指可以做得更短更宽，可以减小指内去偏置的影响。 还有一种方法：晶体管可以采用更短更多的发射指，但宽度不变。 2、热击穿和二次击穿 热击穿和二次击穿都是由于流过晶体管某一部分的电流过大造成的。对于热击穿而言，电流集中同温度升高密切相关。如果功率晶体管的某一部分比其他部分的温度略高一点，那么需要维持同样电流密度的 就会降低2mV/℃ （ ， 与温度负相关 ），因此很小的温度变化就会导致明显的发射极去偏置。几乎全部电流都会流过晶体管温度最高的部分，从而进一步升高这里的温度。只需要几毫秒的时间，导通区域就会收缩为一个只占晶体管很小一部分面积的微小热点，可能引起管子失效。 由于热击穿涉及发射极去偏置，因此限流电阻可以起到一定的保护作用。 3、Kirk效应（基区扩展效应） 当电流很大的时候，晶体管的有效基区宽度将随注入电流的增加而扩展，即出现基区扩展效应，也称kirk（克而克）效应。 在小注入情况下，N区的多子为电子，P区的多子为空穴，由于扩散和复合的作用，导致P区与N区的交界面的载流子浓度骤减，形成了由不能移动的杂质离子构成的空间电荷区；同时建立了内建电场，方向由N区指向P区，起先内电场较小，扩散运动较强，随着空间电荷区的增宽，内电场变大，漂移运动逐渐增强，最终达到动态平衡。耗尽区向基区延伸了Xmb的距离，向集电区延伸了Xmc的距离。 二、功率晶体管的版图 近些年来，人们已经提出多种ＮＰＮ功率晶体管版图方案。任何一种版图结构都有各自的优点和缺点，因此不同类型的版图知识有助于设计者针对特定的