《晶体管功率特性》PPT课件.ppt

1,电子器件基础,湖南大学电子科学与技术专业,2,第5章晶体管功率特性,第1节基区电导调制效应第2节有效基区扩展效应第3节发射极电流集边效应第4节晶体管最大耗散功率第5节晶体管二次击穿和安全工作区,3,掌握双极型晶体管大注入效应、基区扩展效应和电流集边效应的本质和作用，最大耗散功率及其影响因素；理解二次击穿机理和安全工作区。,本章要求：,4,功率晶体管：工作在高电压和大电流条件下，功率1W以上的晶体管；晶体管功率特性：大功率条件下晶体管性能的变化，小注入近似的假设不再成立，特别是电流增益和特征频率随电流增加而下降，用极限参数描述；极限参数：最高电压，最大电流，最大耗散功率，二次击穿；极限参数限制晶体管的安全工作区。,5,第1节基区电导调制效应,晶体管放大工作：VBE0VBCnpbpb=ppb+nbppb,大注入：nbppbnbnpbpb=ppb+nbppb基区多子浓度大大增加，电阻率下降基区电导调制。,7,平衡时基区电阻率：,晶体管放大工作时基区电阻率：,小注入时：nbppb,大注入时：nbppb,8,发射区注入到基区的少子（电子）在浓度梯度作用下继续向集电结扩散，到达集电结的电子在集电结反向电场EC作用下通过集电区，形成集电极电流。,注入基区载流子的运动,9,基区的多子（空穴）在浓度梯度作用下向集电结扩散，但集电结反向电场EC阻挡空穴通过集电结，使得在集电结附近的基区中空穴（正电荷）积累，形成由集电结指向发射结的基区大注入自建电场E。,10,对多子（空穴）：电场E的漂移作用与浓度梯度的扩散作用相反，即E阻碍空穴的进一步扩散，达到动态平衡时，基区空穴为稳定分布。,对少子（电子）：电场E的漂移作用与浓度梯度的扩散作用相同，即E加速电子的扩散。,大注入自建电场的作用,11,自建电场：,大注入自建电场的表示,12,13,大注入基区载流子分布,大注入时基区电子电流密度：,14,两边积分可求得：,小注入,15,16,17,2大注入对电流放大系数的影响,基区体复合电流：,基区载流子线性分布近似，取平均值：,18,表面复合电流：,小注入发射区注入基区的电子电流：,大注入均匀基区晶体管：,19,20,21,22,3大注入对基区渡越时间的影响,载流子基区渡越时间：,23,大注入自建电场的作用，加速注入载流子的运动，相当于扩散系数增加一倍；大注入时均匀基区和缓变基区的载流子分布由大注入决定，与原基区杂质分布无关，基区电场由大注入电场决定，载流子基区渡越时间相同。,24,4大注入临界电流密度,25,第2节有效基区扩展效应(Kirk效应),晶体管基区宽度随注入增加而展宽，导致晶体管电流放大系数和特征频率下降。,1注入电流对集电结电场的影响,26,当场强大于104V/cm时，载流子以极限饱和漂移速度S运动；流过集电结的电流密度为电子漂移电流密度：,27,小注入(ncNC，注入到集电结的电子超过正空间电荷，N集电区变成负电荷区，靠集电结(PN)处电场减小，最大电场移到NN+处，集电区电场分布发生变化-。,32,如在JC=Jcr时，靠集电结(PN)处电场下降到0()。当JCJcr时，负电荷区边界随注入增加向N区收缩，原集电区的一部分变成了基区，使有效基区宽度增加为Wb+Wb，发生基区扩展。,33,2基区扩展,强场下基区扩展,34,35,当JCJcr时发生基区扩展，负电荷区边界收缩到Wb处，E(Wb)=0，此时有：,可求出基区扩展宽度为：,总有效基区宽度：,36,弱场下基区扩展,37,基区扩展对晶体管特性的影响,晶体管放大工作，大注入时，发射区注入基区大量的电子；基区积累电子电荷Qb，发射结边界电子浓度ne，集电结边界电子浓度nc。,38,基区积累电子电荷的总量Qb为四边形的面积，如：InEIC=*,电子渡越基区的时间：,39,nCWbbfT、,40,第3节发射极电流集边效应,晶体管流过大电流时，基极电流也较大；由于基区存在电阻，基极电流横向流过基区时产生压降自偏压；发射结各处的正偏电压不一致，发射极中心的基区电位降低，发射结注入电流分布不均匀；电流在发射极边缘处较大发射极电流集边效应。,41,1基区横向压降,42,小体积元的横向压降：,43,44,2发射极有效条宽,减小基区横向压降和电流集边效应，要减小Se。规定：基区横向压降变化KT/q(室温下0.026V)时的发射极条宽为有效条宽Seff，即V(Seff)=KT/q，,发射极边缘处电流：JEP=JE(Seff)=eJE(0)=2.718JE(0),45,3发射极单位周长电流容量,双基极结构晶体管发射极总电流：,46,一般工程上经验选择：线性放大晶体管：I00.05mA/um一般放大晶体管：I0=0.050.15mA/um开关晶体管：I00.4mA/um,47,4发射极金属条长,发射极个数n，总发射极电流IE，金属电阻上的压降限制在KT/q内，即：RMIE/nKT/q，发射极有效条长：,48,第4节晶体管最大耗散功率,1耗散功率和最高结温,晶体管最大功率的热学限制,耗散功率：晶体管散发热量的能力,49,电源提供的功率为PD，输出功率为PO=PDPC，晶体管的功率转换效率：,转换效率还与晶体管的工作状态有关。如甲类运用时，效率的最大理论值为50%。,50,PC转换为热量，通过管壳(温度为Ta)向外散发；如热量来不及散发，则使集电结温度Tj上升，热激发载流子增加，IC增加，PC进一步增加；耗散功率全部由热量散发，达到热动态平衡；集电结最高结温由材料决定：Tjm(Si)=150200Tjm(Ge)=85100,最高结温Tjm：正常地长期可靠工作的PN结温度,51,2晶体管的热阻表示晶体管散热能力的大小,稳态热阻,52,53,54,外热阻：热量传导到管壳后，向周围介质辐射散发的能力。,管壳到空气的散热途径：（1）由管壳直接向空气散热，（2）管壳将热量传给散热器，散热器一般是导热性能良好的金属板，板面积越大，热阻越小。实际晶体管的热阻主要是管芯的内热阻。,55,热容与瞬态热阻,56,等效热路：热阻、热容组成热路等效热特性（等效电路：电阻、电容组成电路等效电特性）,CT使T不能突变；（C使V不能突变）CT充放热使T与时间有关；（C充放电使V与时间有关）RTCT：充放热时间常数（RC：充放电时间常数）,57,CT充热过程：,58,CT放热过程：,59,脉冲工作时晶体管的结温变化,60,3晶体管最大耗散功率,稳态时：,瞬态充热时：,瞬态放热时：,61,62,第5节二次击穿和安全工作区,1957年，Trornton和Simmons发现的“不可思议的现象”,1二次击穿现象,VCE=BVCEO（A点），集电结雪崩击穿（一次），IC上升到B点并经短暂停留，晶体管由高压小电流状态迅速变为低压大电流状态（D点），直到晶体管烧毁（二次击穿）。,63,B点为二次击穿临界点，有临界电流ISB，临界电压VSB，则二次击穿触发功率为：PSB=ISBVSB,保持功率PSB一段时间tsd，积累能量后发生二次击穿，tsd为二次击穿延迟时间。,二次击穿触发能(二次击穿耐量)：ESB=PSBtsdB点停留时间在tsd内，可回到触发前状态；达到ESB时，二次击穿几乎瞬时发生且不可逆。,64,BC负阻区不是稳定工作状态，电流将迅速上升，C点电压为二次击穿后维持电压，一般有：VC=1015(V)。,对不同的偏置有不同的IB，得到不同的二次击穿曲线。二次击穿触发点的连线为二次击穿临界线（二次击穿功耗线）。,65,2二次击穿的机理和防止二次击穿的措施,热不稳定型理论,二次击穿是局部温升与电流集中循环往复的结果；形成热斑，实验发现，热斑的直径只有10-3-10-2cm，电流密度高达104A/cm2；热斑的温度升高到半导体本征温度时，呈现本征导电，耗尽区消失，直至达到材料熔点，产生熔融孔，造成晶体管永久失效；循环和温升需要一定时间，触发延迟时间tsd较长；,66,材料不均匀、结构缺陷和基极电阻等，引起电流分布不均匀和局部温升，产生电流集中，引起二次击穿；大功率晶体管，在单元晶体管的发射极上加接镇流电阻REi，利用发射极电阻的直流负反馈作用，将电流集中限制在一定的范围，有效的防止热不稳定二次击穿；镇流电阻越大，负反馈作用越强，稳流特性越好，但功率损耗增加，电流放大倍数下降；一般工程上选择，当温度变化时，发射极电流的变化限制在5%以内。,67,在偏置电压不变，忽略镇流电阻随温度的变化时，有：,68,雪崩注入二次击穿,硅n+pnn+外延平面晶体管，集电结空间电荷区的宽度随着外加反压的增加而展宽；,PN结处最大电场达到雪崩临界场强Ecr时，晶体管一次雪崩击穿，电流急剧上升；,当空间电荷区展宽到处延层穿通后，空间电荷区的电场随外加电压的增加而很快上升，电场分布变化；,69,一次击穿后，nc迅速增加达到大注入，最大电场转移，引起二次击穿，由高压小电流状态迅速过渡到低压大电流状态，延迟时间tsd很短。,集电极电流达到临界电流Icr时，nc=Nc，最大电场移至NN+结处；NN+结处最大电场达到雪崩临界场强时，晶体管二次雪崩击穿；载流子倍增产生大电流使PN结局部熔通，形成低阻通道，晶体管压降快速减小。,70,同时加箝位二极管和镇流电阻的晶体管没有二次击穿。,71,在一定的时间(寿命)内和温度下，晶体管安全可靠工作的区域，即最大电流ICM、最大电压BVCEO、最大耗散功率PCM、二次击穿触发功率PSB所限定的区域。,3晶体管的安全工作区（SOA）,72,第5章习题作业,第4、5题,73,思考题,大注入时将出现哪些效应？他们对晶体管特性有什么影响？为什么大注入时载流子扩散系数比小注入时增加一倍？大注入限制电流由哪些因素决定？大注入时集电结空间电荷区中电场分布是如何变化的？什么是晶体管的热阻？它与哪些因素有关？什么是晶体管的二次击穿现象？如何防止正偏和反偏二次击穿？如何确定晶体管的安全工作区？,74,谢谢！,