1、 晶体管的频率特性晶体管的频率特性 晶体管的功率增益和最高振荡频率晶体管的功率增益和最高振荡频率 晶体管的大电流特性晶体管的大电流特性 晶体管的二次击穿晶体管的二次击穿 晶体管的安全工作区晶体管的安全工作区 在交流工作状态下，在交流工作状态下，P-N结的电容效结的电容效应将对晶体管的工作特性产生影响。应将对晶体管的工作特性产生影响。 当频率升高时，晶体管的放大特性要当频率升高时，晶体管的放大特性要发生变化，使晶体管的放大能力下降。发生变化，使晶体管的放大能力下降。 当晶体管的放大能力下降到一定程度当晶体管的放大能力下降到一定程度时，就无法使用，这就表明晶体管的使用时，就无法使用，这就表明晶体管
2、的使用频率有一个极限。频率有一个极限。 主要的高频参数主要的高频参数 截止频率截止频率 特征频率特征频率 高频功率增益高频功率增益 最高振荡频率最高振荡频率 4.1 晶体管的频率特性晶体管的频率特性截止频率截止频率 （共基极截止频率）（共基极截止频率） 表示共基极短路电流放大系数的幅表示共基极短路电流放大系数的幅值值|下降到低频值下降到低频值0的的1/ 时的频率。时的频率。 即即 = 时，时，|=0/ 。 ff2ff2截止频率截止频率 表示共发射极短路电流放大系数的表示共发射极短路电流放大系数的 幅值幅值|下降到低频值下降到低频值0的的1/ 时的频率。时的频率。 即即 = 时，时，|=0/ f
3、f2ff2 反映了电流放大系数反映了电流放大系数的幅值的幅值 |随频率上升而下降的快慢，随频率上升而下降的快慢， 但并不是晶体管电流放大的频率极限。但并不是晶体管电流放大的频率极限。 晶体管电流放大的频率极限是后面将要晶体管电流放大的频率极限是后面将要讲到的特征频率。讲到的特征频率。 f特征频率特征频率 表示共射短路电流放大系数的幅值表示共射短路电流放大系数的幅值 下降到下降到|=1时的频率。时的频率。 它是晶体管在共射运用中具有电流放大它是晶体管在共射运用中具有电流放大作用的频率极限。作用的频率极限。 TfTf 从图可以看出，上述几个频率参数间有如下关系从图可以看出，上述几个频率参数间有如下
4、关系 且且 很接近很接近 当工作频率满足当工作频率满足 关系时，关系时，|随频率的增加，按随频率的增加，按-6dB/倍频的速度下降。倍频的速度下降。 fffTTfffff最高振荡频率最高振荡频率 表示最佳功率增益等于表示最佳功率增益等于1时的频率。时的频率。晶体管具有功率增益的频率极限。晶体管具有功率增益的频率极限。当当 时，晶体管停止振荡。时，晶体管停止振荡。 mfmfmff 共基极短路电流放大系数与频率的关系共基极短路电流放大系数与频率的关系1. 共基极交流短路电流放大系数的共基极交流短路电流放大系数的定性分析定性分析2. 共基极交流短路电流放大系数的共基极交流短路电流放大系数的定量分析（
5、略）定量分析（略）3. 共基极交流短路电流放大系数共基极交流短路电流放大系数和截止频率和截止频率 f定性分析定性分析 共基极交流短路电流放大系数定义为共基极交流短路电流放大系数定义为输出输出交流短路交流短路时，集电极输出交流电流时，集电极输出交流电流ic与发射极与发射极输入交流电流输入交流电流ie之比，并用之比，并用表示。（交流信号表示。（交流信号用小写字母表示。）用小写字母表示。）0vecBC0ii发射结势垒电容分流电流发射结势垒电容分流电流iCTe 当发射极输入一交变信号时，发射结空间电荷区宽度当发射极输入一交变信号时，发射结空间电荷区宽度将随着交变信号变化，因而需要一部分电子电流对发射结
6、将随着交变信号变化，因而需要一部分电子电流对发射结势垒电容进行充放电。（有一部分电子电流被势垒电容分势垒电容进行充放电。（有一部分电子电流被势垒电容分流，形成分流电流流，形成分流电流iCTe） 所以高频时所以高频时发射极电流发射极电流为为 ine 发射结注入基区交流电子电流发射结注入基区交流电子电流 ipe 发射结反注入空穴电流（基区注入发射结的空穴电流）发射结反注入空穴电流（基区注入发射结的空穴电流）CTepeneeiiii交流发射效率交流发射效率 频率增高，结电容分流电流频率增高，结电容分流电流iCTe增大，增大，导致交流发射效率导致交流发射效率下降。下降。 所以，交流发射效率所以，交流发
7、射效率随频率的升高而随频率的升高而下降。下降。 eCTepeeneiii1ii扩散电容分流电流扩散电容分流电流iCDe 在交流状态下，注入基区的少子浓度和基在交流状态下，注入基区的少子浓度和基区积累电荷将随着结压降的变化而变化。因此，区积累电荷将随着结压降的变化而变化。因此，注入基区的少数载流子，一部分消耗于基区复注入基区的少数载流子，一部分消耗于基区复合，形成复合电流合，形成复合电流iVR外，还有一部分将消耗于外，还有一部分将消耗于对扩散电容充放电，产生扩散电容分流电流对扩散电容充放电，产生扩散电容分流电流iCDe，真正到达基区集电结边界的电子电流只，真正到达基区集电结边界的电子电流只有有i
8、nc(0)。 )0(iiiincVRCDene交流基区输运系数交流基区输运系数 频率越高，分流电流频率越高，分流电流iCDe越大，到达越大，到达集电结的电子电流集电结的电子电流inc(0)越小越小 所以，基区输运系数所以，基区输运系数*也随着频率的也随着频率的升高而下降。升高而下降。 neCDeVRnenc*iii1i)0(i集电结空间电荷区输运系数集电结空间电荷区输运系数 到达集电结边界的电子电流到达集电结边界的电子电流inc(0)，通过集电，通过集电结空间电荷区时需要一定的传输时间；耗尽层中结空间电荷区时需要一定的传输时间；耗尽层中产生产生位移电流位移电流用于维持空间电荷区边界的变化，用于
9、维持空间电荷区边界的变化，使到达集电区边界的电子电流减少到使到达集电区边界的电子电流减少到inc(xm) 。 频率越高，位移电流越大，使频率越高，位移电流越大，使d随着频率增随着频率增高而下降高而下降。)0(i)x(incmncd集电结势垒电容分流电流集电结势垒电容分流电流iCTc 到达集电区的交变电子电流，在通到达集电区的交变电子电流，在通过集电区时过集电区时 ，还需要用一部分电子电流，还需要用一部分电子电流对集电结势垒电容充放电，形成势垒电对集电结势垒电容充放电，形成势垒电容的分流电流容的分流电流iCTc ，真正到达集电极的，真正到达集电极的电子电流只有电子电流只有incc inc(xm)
10、=incc+iCTc 集电区衰减因子集电区衰减因子c 集电极输出电流集电极输出电流ic应该等于从发射极传输过应该等于从发射极传输过来的电子电流来的电子电流incc和集电结反向电流和集电结反向电流ipc之和。之和。)x(iimncncccpcnccciii集电区倍增因子集电区倍增因子* 反向电流反向电流ipc一般很小，但当集电区电阻一般很小，但当集电区电阻较大时，输运至集电区的电子电流在体电阻较大时，输运至集电区的电子电流在体电阻上产生漂移电场，而漂移电场会使反向空穴上产生漂移电场，而漂移电场会使反向空穴电流增大，从而减小了有效电子电流电流增大，从而减小了有效电子电流incc。 （使集电区倍增因
11、子变小）（使集电区倍增因子变小） nccc*ii共基极交流短路电流放大系数共基极交流短路电流放大系数 在各个传输过程中，由于结电容对传输电在各个传输过程中，由于结电容对传输电流的分流作用，使传输电流的幅值减小，对电流的分流作用，使传输电流的幅值减小，对电容充放电所产生的延迟时间，使输出信号同输容充放电所产生的延迟时间，使输出信号同输入信号间存在相位差（入信号间存在相位差（延迟延迟或或不同步不同步）。）。 *nenceneeci)0(iiiii 交流放大系数交流放大系数是是复数复数，其，其幅值幅值随着随着频率的升高而下降，频率的升高而下降，相位差相位差随着频率的升随着频率的升高而增大。高而增大。
12、0 共基极短路电流放大系数的低频值共基极短路电流放大系数的低频值 截止频率截止频率 ffj10f定量分析（略）定量分析（略）e0j1交流发射效率交流发射效率 eTeerCe 发射极延迟时间发射极延迟时间 re 发射结动态电阻发射结动态电阻CTe 发射结势垒电容发射结势垒电容 b/jm*0*/j1ebm 超相移因子（剩余相因子）超相移因子（剩余相因子） 交流基区输运系数交流基区输运系数 b 基区渡越截止频率基区渡越截止频率 ddj11集电结空间电荷区输运系数集电结空间电荷区输运系数 集电结空间电荷区延迟时间集电结空间电荷区延迟时间 d ccj11集电区衰减因子集电区衰减因子 c=rcsCTc 集
13、电极延迟时间集电极延迟时间 rcs 集电区串联电阻集电区串联电阻CTc 势垒电容势垒电容 共基极短路交流电流放大系数共基极短路交流电流放大系数和截止频率和截止频率 将以上各个系数的表达式代入将以上各个系数的表达式代入表达式表达式f/11100jemjebbjmcdbejm 对发射结处，基区侧扩散电容对发射结处，基区侧扩散电容CDe的充电的充电延迟时间，即延迟时间，即 由由表达式可以看出，交流电流放大系数表达式可以看出，交流电流放大系数是复数，其幅值随频率升高而下降，相位滞后是复数，其幅值随频率升高而下降，相位滞后则随频率升高而增大。则随频率升高而增大。 从而从从而从定量分析定量分析的角度证实了
14、的角度证实了定性分析定性分析的的正确性。正确性。bDeebCr截止频率截止频率 由放大系数表达式，令其等于低频值由放大系数表达式，令其等于低频值0 的的1/ 的时候，可以求出的时候，可以求出截止频率。截止频率。 其表达式如下：其表达式如下：cdbemf1212 以上得出的短路电流放大系数以上得出的短路电流放大系数和和 截止频率截止频率 的表达式对均匀基区和缓的表达式对均匀基区和缓 变基区均适用。变基区均适用。 计算时只须代入各自的计算时只须代入各自的延迟时间延迟时间和不同的和不同的超相移因子超相移因子m的值即可。的值即可。 f共发射极短路电流放大系数及其截止频率共发射极短路电流放大系数及其截止
15、频率 共射短路电流放大系数共射短路电流放大系数：工作在共射状：工作在共射状态下的晶体管在输出端交流短路态下的晶体管在输出端交流短路VCE0=0时，集时，集电极交流电流电极交流电流ic与基极输入电流与基极输入电流ib之比。之比。 00CEVbcii共发射极短路电流放大系数共发射极短路电流放大系数/1/0jebjm共射交流放大系数共射交流放大系数也是复数也是复数幅值随着频率升高而下降幅值随着频率升高而下降相位滞后随着频率升高而增大相位滞后随着频率升高而增大 （与（与 类似）类似）截止频率截止频率 载流子从发射极到集电极总的传输载流子从发射极到集电极总的传输延迟时间延迟时间 0021efdcbee0
16、0e 与与 的关系的关系ff0)1 (mffff说明说明 共射短路电流放大系数共射短路电流放大系数比共基短路电流比共基短路电流放大系数放大系数下降更快。下降更快。 因此，共基电路比共射电路频带更宽。因此，共基电路比共射电路频带更宽。 晶体管的特征频率晶体管的特征频率 共射电流放大系数共射电流放大系数|下降到下降到1时的频率是共时的频率是共射运用限制频率，即射运用限制频率，即特征频率特征频率。 11|2120ffT0021eTff提高特征频率的途径提高特征频率的途径 减小基区宽度减小基区宽度 Wb ； 缩小结面积缩小结面积A ； 适当降低集电区电阻率适当降低集电区电阻率 ； 适当减小集电区厚度适
17、当减小集电区厚度 ； 尽量减小延伸电极面积尽量减小延伸电极面积 。原因略，有兴趣的同学请自己看书。原因略，有兴趣的同学请自己看书。P8485dcbee04.2 晶体管高频等效电路晶体管高频等效电路 在交流小信号电流在交流小信号电流- -电压方程基础上，讨论电压方程基础上，讨论晶体管的晶体管的Y Y参数、参数、h h参数、参数、Z Z参数及其等效电路。参数及其等效电路。 在交流小信号状态下，晶体管的输出信号在交流小信号状态下，晶体管的输出信号随输入信号近似地按线性关系变化。因此，可随输入信号近似地按线性关系变化。因此，可以将晶体管等效为一个以将晶体管等效为一个线性两端网络线性两端网络，如图所，如
18、图所示。示。 这四个参量中只有两个是独立变量。选用这四个参量中只有两个是独立变量。选用不同的自变量和因变量，可以得到不同的参数不同的自变量和因变量，可以得到不同的参数方程。方程。I I1 1、V V1 1 输入端的电流和电压输入端的电流和电压I I2 2、V V2 2 输出端的电流和电压输出端的电流和电压当选取电压当选取电压V1、V2为自变量时，可得为自变量时，可得Y参数方程参数方程 2121111VYVYI2221212VYVYI011112VVIY021121VVIY012212VVIY022221VVIYY11 输出交流短路时的输入导纳输出交流短路时的输入导纳 Y12 输入交流短路时的反
19、向转移导纳输入交流短路时的反向转移导纳 Y21 输出交流短路时的正向转移导纳输出交流短路时的正向转移导纳 Y22 输入交流短路时的输出导纳输入交流短路时的输出导纳 Y参数方程等效电路参数方程等效电路 当选当选I1和和V2为自变量时，得到为自变量时，得到h参数方程参数方程 2121111VhIhV2221212VhIhI011112VIVh021121IVVh012212VIIh022221IVIhh11 输出交流短路时的输入阻抗输出交流短路时的输入阻抗 h12 输入交流开路时反向电压放大系数，输入交流开路时反向电压放大系数，即电压反馈系数即电压反馈系数 h21 输出交流短路电流放大系数输出交流
20、短路电流放大系数 h22 输入交流开路时的输出导纳输入交流开路时的输出导纳 h参数等效电路参数等效电路 选取选取I1和和I2为自变量，可得为自变量，可得Z参数方程参数方程 2121111IZIZV2221212IZIZV0I22221IVZ0I12212IVZ0I21121IVZ0I11112IVZZ11 输出交流开路时的输入电压输出交流开路时的输入电压与输入电流的比值（输入阻抗）与输入电流的比值（输入阻抗） Z12 输入交流开路时的输入电压输入交流开路时的输入电压与输出电流的比值（反向转移阻抗）与输出电流的比值（反向转移阻抗） Z21 输出交流开路时输出电压输出交流开路时输出电压与输入电流的
21、比值（正向转移阻抗）与输入电流的比值（正向转移阻抗） Z22 输入交流开路时输出电压输入交流开路时输出电压与输出电流的比值（输出阻抗）与输出电流的比值（输出阻抗） 上述各参数都由晶体管自身的物理结构上述各参数都由晶体管自身的物理结构决定决定 可以相互转换可以相互转换 各有利弊各有利弊 可以使用在不同的场合可以使用在不同的场合 运用较多的是运用较多的是Y参数和参数和h参数等效电路参数等效电路 4.3 高频功率增益和最高振荡频率高频功率增益和最高振荡频率 功率增益表示晶体管对功率的放大功率增益表示晶体管对功率的放大能力。能力。 本节从等效电路入手，用简化方法本节从等效电路入手，用简化方法求出功率增
22、益表达式，用求出功率增益表达式，用h h参数导出功参数导出功率增益的一般表达式和最佳功率增益表率增益的一般表达式和最佳功率增益表示式。示式。 功率增益功率增益输出功率和输入功率的比值。输出功率和输入功率的比值。 ioPPPG 最佳功率增益最佳功率增益 信号源所供给的最大功率与晶体管向负载输出的信号源所供给的最大功率与晶体管向负载输出的最大功率之比，即是输入输出阻抗各自匹配时的功率增益。最大功率之比，即是输入输出阻抗各自匹配时的功率增益。GPm 共射共射h参数等效电路参数等效电路共射晶体管的最佳功率增益表达式共射晶体管的最佳功率增益表达式TcbTPmCrffG28 实际晶体管中，集电极的输出阻抗
23、除集电结实际晶体管中，集电极的输出阻抗除集电结势垒电容外，还存在延伸电极电容和管壳寄生电势垒电容外，还存在延伸电极电容和管壳寄生电容等，用容等，用Cc表示集电极的总输出电容。表示集电极的总输出电容。 28fCrfGcbTPm 实际晶体管还存在引线电感等，考实际晶体管还存在引线电感等，考虑虑发射极引线电感发射极引线电感的影响时，晶体管共的影响时，晶体管共射最佳功率增益表示为射最佳功率增益表示为ceTbTPmCLfrffG)(822Le 发射极引线电感发射极引线电感 mf最佳功率增益最佳功率增益GPm=1时的频率，时的频率，它是晶体管真正具有功率放大能力的频率限制。它是晶体管真正具有功率放大能力的
24、频率限制。最高振荡频率最高振荡频率最高振荡频率表达式最高振荡频率表达式218eTbcTmLfrCffceTbTPmCLfrffG2282f频带宽度频带宽度 高频优值（增益高频优值（增益-带宽乘积）表达式带宽乘积）表达式 高频优值全面地反映了晶体管的功率和频高频优值全面地反映了晶体管的功率和频率性能，而且只与晶体管本身的参数有关，因率性能，而且只与晶体管本身的参数有关，因此高频优值是设计和制造高频功率晶体管的重此高频优值是设计和制造高频功率晶体管的重要依据之一。要依据之一。提高功率增益的途径提高功率增益的途径 提高晶体管的特征频率；提高晶体管的特征频率；适当提高基区杂质浓度，以减小基极电阻适当提
25、高基区杂质浓度，以减小基极电阻r b；尽量缩小集电结和延伸电极面积，以减小势垒尽量缩小集电结和延伸电极面积，以减小势垒电容和延伸电极电容；电容和延伸电极电容；尽量减小发射极引线电感和其他寄生参数；尽量减小发射极引线电感和其他寄生参数；选用合适的管壳，以获得最佳高频优值选用合适的管壳，以获得最佳高频优值功率增益随工作点的变化（略）功率增益随工作点的变化（略）P854.4 晶体管的大电流特性晶体管的大电流特性 较大功率的晶体管需要工作在高耐压和大较大功率的晶体管需要工作在高耐压和大电流条件下。而在大电流区域，晶体管的直电流条件下。而在大电流区域，晶体管的直流和交流特性都会发生明显变化，电流增益流和
26、交流特性都会发生明显变化，电流增益和特征频率等参数都会随着集电极电流增大和特征频率等参数都会随着集电极电流增大而迅速下降，从而使集电极最大工作电流受而迅速下降，从而使集电极最大工作电流受到了限制。到了限制。集电极最大电流集电极最大电流IcM 共发射极共发射极直流短路电流直流短路电流放大系数放大系数下降下降到其最大值到其最大值M的一半时所对的一半时所对应的集电极电应的集电极电流流ccocMV/4PI IcM的数值由输出功率的数值由输出功率PO和电源电压和电源电压Vcc决定。要提高晶体管的输出功率就必决定。要提高晶体管的输出功率就必须提高须提高IcM。大电流工作时产生的三个效应大电流工作时产生的三
27、个效应 通过晶体管的电流是电流密度和结面积的乘积，通过晶体管的电流是电流密度和结面积的乘积，可见要增大电流有两种方法：可见要增大电流有两种方法：增大结面积增大结面积和和增加增加电流密度电流密度。 增大结面积的方法并不可取，（结面积的增大增大结面积的方法并不可取，（结面积的增大会导致成品率的降低，并会增大结电容而使晶体会导致成品率的降低，并会增大结电容而使晶体管的高频性能变差）。管的高频性能变差）。 然而，电流密度的增加会导致电流放大系数、然而，电流密度的增加会导致电流放大系数、特征频率和基极电阻的下降。特征频率和基极电阻的下降。 以下定性分析大电流密度时产生的三个效应。以下定性分析大电流密度时
28、产生的三个效应。 小注入小注入：为维持电中性所增加的：为维持电中性所增加的多子可忽略多子可忽略 大注入大注入：为维持电中性所增加的：为维持电中性所增加的多子不可忽略多子不可忽略基区电导调制效应基区电导调制效应 小注入小注入 大注入大注入 基区多子浓度增大导基区多子浓度增大导致基区电导率增大致基区电导率增大 “基区电导调制效应基区电导调制效应”（基区电导率受注入电流（基区电导率受注入电流调制）调制）有效基区宽度扩展效应有效基区宽度扩展效应 kirk（克而克）效应（克而克）效应 在大注入下，晶体管，特别是缓变基区晶体在大注入下，晶体管，特别是缓变基区晶体管的有效基区宽度将随注入电流的增加而扩展管的
29、有效基区宽度将随注入电流的增加而扩展 。 用这个效应能够比较有效地解释大电流下晶用这个效应能够比较有效地解释大电流下晶体管的电流放大系数和截止频率下降的现象。体管的电流放大系数和截止频率下降的现象。 （原理分析略，参见（原理分析略，参见P8790）发射极电流集边效应发射极电流集边效应（基区电阻自偏压效应（基区电阻自偏压效应 ） 晶体管工作在大电流状态时，较大的基极电流晶体管工作在大电流状态时，较大的基极电流流过基极电阻，将在基区中产生较大的横向压降，流过基极电阻，将在基区中产生较大的横向压降，使发射结的正向偏置电压从边缘到中心逐渐减小，使发射结的正向偏置电压从边缘到中心逐渐减小，发射极电流密度
30、则由中心到边缘逐渐增大，由此发射极电流密度则由中心到边缘逐渐增大，由此产生发射极电流集边效应。产生发射极电流集边效应。 由基区电阻的不均匀所导致由基区电阻的不均匀所导致梳状电极平面晶体管的结构示意图梳状电极平面晶体管的结构示意图 横向压降随着基区薄层电阻的增大而增横向压降随着基区薄层电阻的增大而增大，随着大，随着y的增加而上升。的增加而上升。 即发射极条宽越宽，距离发射极中心越即发射极条宽越宽，距离发射极中心越远，则基区横向压降越大，发射极电流集远，则基区横向压降越大，发射极电流集边效应就越明显。边效应就越明显。 此外，工作电流越大，基区横向压降也此外，工作电流越大，基区横向压降也越大，发射极
31、电流集边效应也就越明显。越大，发射极电流集边效应也就越明显。防止发射极电流集边效应防止发射极电流集边效应 为了减小基区横向压降，防止发射极电流集为了减小基区横向压降，防止发射极电流集边效应，应尽量缩小发射极宽度。边效应，应尽量缩小发射极宽度。 但实际晶体管中，最小条宽的选择往往受光但实际晶体管中，最小条宽的选择往往受光刻和制版工艺水平的限制。刻和制版工艺水平的限制。 因此，在选择条宽时，既要防止电流集边，因此，在选择条宽时，既要防止电流集边，使发射结面积得到充分利用，而尽量选用较小使发射结面积得到充分利用，而尽量选用较小的条宽；但又不能选取过小的条宽，使工艺难的条宽；但又不能选取过小的条宽，使
32、工艺难度增大。度增大。最大耗散功率就是晶体管的主要最大耗散功率就是晶体管的主要热限制参数热限制参数。 因为晶体管在受到电学特性限制的同时，还要受因为晶体管在受到电学特性限制的同时，还要受到热学特性的限制。到热学特性的限制。总耗散功率总耗散功率 PC 晶体管工作时，电流通过发射结、集电结和晶体管工作时，电流通过发射结、集电结和体串联电阻都会发生功率耗散体串联电阻都会发生功率耗散cs2rIVIVIPCCBCBEECCBCCVIP 在正常工作状态下，发射结正向偏置电压在正常工作状态下，发射结正向偏置电压VBE远小于集电极反向偏置电压远小于集电极反向偏置电压VCB，体串联电阻，体串联电阻rcs也也很小
33、。很小。 因此，晶体管的功率因此，晶体管的功率主要耗散在集电结主要耗散在集电结上。上。耗散功率转换为热量，使集电结变成晶体管的发耗散功率转换为热量，使集电结变成晶体管的发热中心，热中心，集电结温度升高集电结温度升高。 当当结温结温Tj高于高于环境温度环境温度Ta时，热量就靠温差由管时，热量就靠温差由管芯通过管壳向外散发。芯通过管壳向外散发。 散发出的热量随着散发出的热量随着温差（温差（Tj-Ta）的增大而增大。的增大而增大。 在散热条件一定的情况下，耗散功率在散热条件一定的情况下，耗散功率PC越大，结越大，结温就越高。温就越高。 最高结温最高结温Tjm：晶体管能正常地、长期可靠工作的：晶体管能
34、正常地、长期可靠工作的P-N结温度。结温度。 与材料的电阻率和器件的可靠性有关。与材料的电阻率和器件的可靠性有关。表示晶体管散热能力的大小表示晶体管散热能力的大小 任意两点间的温差与其热流之比任意两点间的温差与其热流之比稳态热阻稳态热阻：直流工作状态下的热阻：直流工作状态下的热阻 RT瞬态热阻瞬态热阻：在开关和脉冲电路中，随时间变化：在开关和脉冲电路中，随时间变化的晶体管的热阻的晶体管的热阻 RTs 稳态 瞬态 TajmCmRTTPTTCRtTajmTsajmCmseRTTRTTP1最大耗散功率表达式最大耗散功率表达式 尽量降低晶体管的热阻尽量降低晶体管的热阻RT； 选用最高结温选用最高结温T
35、jm高的材料；高的材料； 尽量降低使用时的环境温度尽量降低使用时的环境温度Ta。 提高晶体管最大耗散功率的主要措施提高晶体管最大耗散功率的主要措施4.6 功率晶功率晶体管的二次击穿和安全工作区体管的二次击穿和安全工作区 二次击穿是功率晶体管早期失效二次击穿是功率晶体管早期失效或损坏的重要原因，它已成为影响功或损坏的重要原因，它已成为影响功率晶体管安全可靠使用的重要因素。率晶体管安全可靠使用的重要因素。 自从自从1957年发现二次击穿现象以年发现二次击穿现象以来，二次击穿一直受到极大的重视。来，二次击穿一直受到极大的重视。晶体管二次击穿的实验曲线晶体管二次击穿的实验曲线 击穿曲线上可用击穿曲线上
36、可用A、B、C、D四点将其分为四四点将其分为四个区域。个区域。 当电压当电压VCE增加到集电结的雪崩击穿电压时，增加到集电结的雪崩击穿电压时，首先在首先在A点发生雪崩击穿；点发生雪崩击穿； 雪崩击穿后，集电极电流雪崩击穿后，集电极电流IC随电压增加很快随电压增加很快上升。当电流增加到上升。当电流增加到B点，并在点，并在B点经过短暂的点经过短暂的停留后，晶体管将由高压状态跃变到低压大电停留后，晶体管将由高压状态跃变到低压大电流流C点，若电路无限流措施，电流将继续增加，点，若电路无限流措施，电流将继续增加，进入低压大电流区域进入低压大电流区域CD段，直至最后烧毁。段，直至最后烧毁。 二次击穿二次击
37、穿 器件承受的电压突然降低，电流继器件承受的电压突然降低，电流继续增大，器件由高压小电流状态突然跃入续增大，器件由高压小电流状态突然跃入低压大电流状态的一种现象。低压大电流状态的一种现象。 二次击穿对晶体管具有一定的毁坏作用。二次击穿对晶体管具有一定的毁坏作用。 在二次击穿状态下停留一定时间后，会使器在二次击穿状态下停留一定时间后，会使器件特性恶化或失效。件特性恶化或失效。 若外加限流电阻，并适当减小使用功率，对若外加限流电阻，并适当减小使用功率，对于二次击穿耐量高的晶体管，可以得到可逆的二于二次击穿耐量高的晶体管，可以得到可逆的二次击穿特性，利用此特性可以制成二次击穿振荡次击穿特性，利用此特
38、性可以制成二次击穿振荡器。器。 二次击穿耐量低的晶体管，经多次二次击穿二次击穿耐量低的晶体管，经多次二次击穿后必然失效。后必然失效。二次击穿的机理二次击穿的机理热型（热不稳定型）热型（热不稳定型）：二次击穿是局部温度升高：二次击穿是局部温度升高和电流集中往复循环的结果。和电流集中往复循环的结果。 而循环和温度升高都需要一定的时间，因此热而循环和温度升高都需要一定的时间，因此热型二次击穿的触发时间较长。（慢速型）型二次击穿的触发时间较长。（慢速型） 电流型（雪崩注入型）电流型（雪崩注入型）：由雪崩注入引起：由雪崩注入引起 雪崩击穿即刻发生，所以此种击穿的特点是器雪崩击穿即刻发生，所以此种击穿的特
39、点是器件由高压小电流状态向低压大电流状态过渡十分件由高压小电流状态向低压大电流状态过渡十分迅速，所需延迟时间很短，因此电流型二次击穿迅速，所需延迟时间很短，因此电流型二次击穿是快速型的二次击穿。是快速型的二次击穿。晶体管的安全工作区（晶体管的安全工作区（SOA） 晶体管能安全可靠地工作，并具有较长晶体管能安全可靠地工作，并具有较长寿命的工作范围。寿命的工作范围。 由最大集电极电流由最大集电极电流ICM，极限电压，极限电压BVCE0，最大功耗线和二次击穿临界线最大功耗线和二次击穿临界线PsB所限定的所限定的区域。区域。功率晶体管直流安全工作区功率晶体管直流安全工作区 最大功耗线（图中实线）最大功
40、耗线（图中实线） 由最大耗散功率由最大耗散功率PCm、热阻、最高结温和环境、热阻、最高结温和环境温度决定。温度决定。 功耗线右边（功耗线右边（区）为功率耗散过荷区。功区）为功率耗散过荷区。功率过大，将产生大量热量，造成引线熔断和镍率过大，将产生大量热量，造成引线熔断和镍铬电阻烧毁等。铬电阻烧毁等。 二次击穿临界线（图中虚线）二次击穿临界线（图中虚线） 由实验测定，它随改善二次击穿特性措施的由实验测定，它随改善二次击穿特性措施的实施而逐渐靠近最大功耗线。实施而逐渐靠近最大功耗线。 区域区域为热型二次击穿区。工作在此区内，为热型二次击穿区。工作在此区内，晶体管将产生过热点，最终导致材料局部熔化，晶
41、体管将产生过热点，最终导致材料局部熔化，结间产生熔融孔而永久失效。结间产生熔融孔而永久失效。 区为区为雪崩注入二次击穿区雪崩注入二次击穿区，若外电，若外电路无限流措施，同样会造成晶体管永久失路无限流措施，同样会造成晶体管永久失效。效。 区为区为雪崩击穿区雪崩击穿区。在。在、两区两区内，若采取限流措施，均不会造成晶体管内，若采取限流措施，均不会造成晶体管永久失效，永久失效， 区为区为电流过荷区电流过荷区，电流过荷区将会，电流过荷区将会使使、特征频率等参数严重下降，晶体管、特征频率等参数严重下降，晶体管性能恶化。性能恶化。 晶体管的安全工作区晶体管的安全工作区（图中阴影部分）（图中阴影部分） 安全
42、工作区的大小与电路工作状态安全工作区的大小与电路工作状态有关。有关。 从设计和制造的角度考虑，尽量扩从设计和制造的角度考虑，尽量扩大晶体管的安全工作区仍是高频功率大晶体管的安全工作区仍是高频功率管的重要任务。管的重要任务。 如何扩大安全工作区如何扩大安全工作区 首先，努力做到使安全工作区由最大集电极首先，努力做到使安全工作区由最大集电极电流电流ICM，最高集电极电压，最高集电极电压BVCE0和最大功耗线和最大功耗线所限定。所限定。 （改善器件的二次击穿特性，将二次击穿临（改善器件的二次击穿特性，将二次击穿临界线移到最大功耗线之外，至少也要移到最大界线移到最大功耗线之外，至少也要移到最大功耗线上。）功耗线上。） 其次，通过选择合适的材料和正确的设计。其次，通过选择合适的材料和正确的设计。 （提高器件的耐压；增大器件的最大电流；（提高器件的耐压；增大器件的最大电流；降低热阻，提高晶体管的耗散功率）降低热阻，提高晶体管的耗散功率）
