1、半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性1 1Physics of Semiconductor Devices半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性2 2本章内容本章内容q基区大注入效应对电流放大系数的影响基区大注入效应对电流放大系数的影响q基区扩展效应基区扩展效应q发射极电流集边效应发射极电流集边效应q发射极单位周长电流容量发射极单位周长电流容量q晶体管最大耗散功率晶体管最大耗散功率q二次击穿和安全工作区二次
2、击穿和安全工作区半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性3 3基区大注入效应基区大注入效应 双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性当注入基区的当注入基区的少数少数载流子浓度接近或载流子浓度接近或超过基区的超过基区的多数多数载载流子浓度时，即为流子浓度时，即为大注入大注入。4.1 基区大注入效应对电流放大系数的影响半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性4 4双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性在大注
3、入自建电场的作用下，载流子在基区内除存在扩散在大注入自建电场的作用下，载流子在基区内除存在扩散运动外还存在漂移运动，因而基区电子和空穴电流等于漂运动外还存在漂移运动，因而基区电子和空穴电流等于漂移电流与扩散电流之和，即移电流与扩散电流之和，即4.1.1 大注入下基区少数载流子分布4.1.1.1 大注入自建电场 nnnpppdnJqnEqDdxdpJqpEqDdx1kTdpEqp dx()()()BBp xN xn x 当空穴的扩散电流等于漂移电流时，达到动态平衡。当空穴的扩散电流等于漂移电流时，达到动态平衡。因而稳定时，基区内的净空穴电流因而稳定时，基区内的净空穴电流 由此可得，基区大注入自建
4、电场由此可得，基区大注入自建电场 当注入较大时，基区中的多数载流空穴浓度当注入较大时，基区中的多数载流空穴浓度 将此代入上式将此代入上式pJ，0pJppdpEDdxp半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性5 5双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性1()11BBBBBBBBBBBBkTdENnqNn dxNdNdnkTqNnNdxNndx1BBBBBBBNdnkTEENnqNndx1BBdNkTq Ndx表示由基区杂质分布梯度产生的自建电场，表示由基区杂质分布梯度产生的自建电场，半导体器件物理半
5、导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性6 6双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性4.1.1.2大注入下基区少子分布及电流特性 q由于在大注入情况下，基区内存在大注入自建电场，因而不由于在大注入情况下，基区内存在大注入自建电场，因而不论是均匀基区还是缓变基区晶体管，基区电子电流都应包括论是均匀基区还是缓变基区晶体管，基区电子电流都应包括漂移和扩散两个分量。可得基区电子电流漂移和扩散两个分量。可得基区电子电流()()BBnBnBBBBBndndJqDNnNndxdx均匀基区晶体管，基区杂质为均匀分布，均匀基区晶体
6、管，基区杂质为均匀分布，0dxdNB 因此，基区电子电流因此，基区电子电流2121BBBnBnBBBBnBBBNndnJqDNndxdnqDndxNnEnBJJBWnBL若忽略基区复合，则若忽略基区复合，则，且，且,可认为基区电子线性分布。可认为基区电子线性分布。半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性7 7双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性BBBWndxdn)0()0(BnBBNn BbnBnEWnDqJ)0()2(即即,为基区边界为基区边界x=0处电子浓度。处电子浓度。，所以，上式变为，所
7、以，上式变为 与小注入相比，相当于扩散系数增大一倍。与小注入相比，相当于扩散系数增大一倍。又由于大注入下，又由于大注入下，半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性8 8双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性，nEnBJJ()()()()()()nEBBBBnBBBJnxdNxdnxdnxqDNxnxdxdxdxxWBBBeNxN)0()()()()2()()()()()()nEBBBBBnBBBBBJNx nxNxnxdnxqDNxnxNxnxdx BW)()()(xNxnxNBBB0)()(1)
8、()()()(21xNxnqDJxnWdxxdnXNxnBBnBnEBBBBB对于缓变基区晶体管，当忽略基区复合时，对于缓变基区晶体管，当忽略基区复合时，如果基区杂质按指数分布如果基区杂质按指数分布 ，将此关系代入上式可得，将此关系代入上式可得等式两端同乘等式两端同乘 并经整理后可得并经整理后可得半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性9 9双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性)()(xNxnBB0)()()()()()(2xNxnqDJxnWdxxdnXNxnBBnBnEBBBBBnBnExW
9、BBBqDJeNWdxxdnB2)0(2)(BWx BWx)0(0)(cBBBVWn在大注入情况下，在大注入情况下，上式又可简化为，上式又可简化为或为或为对上式由对上式由积分，并利用积分，并利用处处的边界条件，可解得的边界条件，可解得半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性1010双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性)0(21)(2)(xWBBnBnEBBeeNxWqDJxn2)0()1(212)(xWBnEBnBBBnEBnBBeeWJNqDWxWJxnqDBBnBnEWNqDJ)0()1(2
10、1)(BBnEBnBWxWJxnqD稍加变换稍加变换当发射区注入到基区的电子电流密度很大时，有当发射区注入到基区的电子电流密度很大时，有 上式中右端第二项可以忽略，则上式中右端第二项可以忽略，则有有 此式表明基区电子浓度分布为线性分布，也就是说，在发射极电流密度很此式表明基区电子浓度分布为线性分布，也就是说，在发射极电流密度很大情况下，基区电子浓度分布与杂质分布情况无关。大情况下，基区电子浓度分布与杂质分布情况无关。半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性1111而通过第二章内容可以知道，小注入情况下，
11、当而通过第二章内容可以知道，小注入情况下，当BWnBLBBnEBnBWxWJxnqD1)(比较以上两式可见，在相同的电流密度下，大注入基区电子浓度梯比较以上两式可见，在相同的电流密度下，大注入基区电子浓度梯度是小注入的一半，这说明大注入条件下，扩散电流和漂移电流近度是小注入的一半，这说明大注入条件下，扩散电流和漂移电流近似相等，各占总电流的一半。这漂移电流是由于大注入自建电场所似相等，各占总电流的一半。这漂移电流是由于大注入自建电场所产生的。产生的。双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的
12、功率特性双极型晶体管的功率特性1212双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性1313双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性4.1.2 基区电导调制效应4.1.3 基区大注入对电流放大系数的影响nBEBSnBBkTqVinBBBmPEBBEDAWSALWenLpWxLWEB222/200221nBEBSnBBkTqVinBBBmPEBBEDAWSALWenLpWxLWEB222/200221)1(BPEBBEPEBBENnLWLW小注入均匀基区晶体管电流
13、增益表达式为小注入均匀基区晶体管电流增益表达式为 右边第一项为小注入时的发射效率项，在大注入下由于基区电导调制效应，右边第一项为小注入时的发射效率项，在大注入下由于基区电导调制效应，使基区电阻率发射变化，致使发射效率项变为使基区电阻率发射变化，致使发射效率项变为 半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性1414双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性nBBBEvBnWqAI2)0(此时时，当,)0(BBBnBBWndxdnLWBBBBBnBEqnEWnnNnDAI)0()0()0(1(/)0(2/)
14、0(1 222BBBBnBBnEvBNnNnLWII)0(BSSRnSqAI大注入下大注入下 可得大注入下体内复合项可得大注入下体内复合项大注入下基区表面复合电流大注入下基区表面复合电流 半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性1515双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性/)0(2/)0(1 BBBBnBEBSnESRNnNnDAWASII/)0(2/)0(1/)0(2/)0(1 2)0(1 1220BBBBnBEBSBBBBnBBBBPEBBENnNnDAWSANnNnLWNnLWBBNn)0
15、(得大注入下基区表面复合项得大注入下基区表面复合项 则得大注入下电流增益表达式则得大注入下电流增益表达式这里用基区边界的注入电子浓度近似代表整个基区内的注入电子浓度。这里用基区边界的注入电子浓度近似代表整个基区内的注入电子浓度。若注入水平大到若注入水平大到时，上式中第时，上式中第2、3项项 内的数值趋向内的数值趋向1/2；其物理意义表明大注入下体内复；其物理意义表明大注入下体内复合及表面复合较小注入减少一半。其原因是由于大注入自建电场的存在，合及表面复合较小注入减少一半。其原因是由于大注入自建电场的存在，使得电子穿越基区的时间缩短一半，复合几率下降，使得电子穿越基区的时间缩短一半，复合几率下降
16、，0上升。上式中第一项上升。上式中第一项为发射功率项，是发射效率为发射功率项，是发射效率0的倒数。从公式中可以看出，随着注入水平的的倒数。从公式中可以看出，随着注入水平的增大，增大，0将下降，从而导致将下降，从而导致0下降。这是由于基区电导调制效应的影响。下降。这是由于基区电导调制效应的影响。半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性1616双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管
17、的功率特性1717双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性4.1.4 大注入对基区渡越时间的影响半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性1818双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性4.2 基区扩展效应4.2.1 注入电流对集电结空间电荷区电场分布的影响半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性1919双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性4.2.1.1 强场情况 DSLCrNqvJcmV/104)
18、(0nNqdxdED)0()()(0EqvJNqxESLCD)0()1()(0EJJqNxECrCD当势垒区的场强当势垒区的场强 时，称为强场，此时载流子已达极限漂移速度。时，称为强场，此时载流子已达极限漂移速度。代入式代入式并积分，可并积分，可得得 设通过集电结的电流全部为电子漂移电流，则设通过集电结的电流全部为电子漂移电流，则nqvJJSLnCCSLCqvJn 半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性2020双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学
19、与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性2121双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性4.2.1.2 弱场情况半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性2222双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性4.2.2 基区扩展效应4.2.2.1 强场下基区的纵向扩展时当CrCJJxJJqNxECrCrSD)1()(0CW02)(20CSLCrCSCBDWqvJNqVV，DSLCrNqvJ)(220CBDCSDSLCrVVqWNqvJCDNN CrJCNCWC
20、BVCrJCN将上式在将上式在范围内积分，则得范围内积分，则得 利用利用强场基区扩展临界电流密度强场基区扩展临界电流密度式中，式中，即等于集电区掺杂浓度，即等于集电区掺杂浓度,可见临界电流密度可见临界电流密度由集电区掺杂浓度由集电区掺杂浓度、厚度、厚度和外加偏置电压和外加偏置电压共同决定。实际晶体管的共同决定。实际晶体管的往往由往往由决定。决定。半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性2323双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性时当CrCJJ CIBWCIBCWW CJCrJ20)()(2CIB
21、CCBDCSLCWWqVVNqvJ21)(1CSLCCSLCrCCIBNqvJNqvJWW21)(1CrCCrCrCCIBjJJJWWCrCJJ CIBWCJ，基区已经扩展，若把扩展的基区称为感应基区，基区已经扩展，若把扩展的基区称为感应基区，则空间电荷区宽度为，则空间电荷区宽度为，故此，故此的表达式与的表达式与类似，所不同的是仅是空间电荷区宽度不同。类似，所不同的是仅是空间电荷区宽度不同。经整理后，可得感应基区宽度经整理后，可得感应基区宽度 当注入电流当注入电流时，基区在时，基区在N区扩展的宽度区扩展的宽度随着随着的增加而展宽。的增加而展宽。半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与
22、工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性2424双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性 4.2.2.2 弱场下基区的纵向扩展CCBDCnCrWVVNqJCrCJJ)/()(CIBCCBDWWVVECIBCCBDCnCWWVVNqJ)1(CCrCCIBJJWW弱场下发生基区扩展效应的临界电流密度弱场下发生基区扩展效应的临界电流密度 弱场下，弱场下，当当，空间电荷区仍然保持均匀不变，空间电荷区仍然保持均匀不变，此时集电极电流密度，此时集电极电流密度 可得弱场下基区扩展宽度可得弱场下基区扩展宽度 半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学
23、院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性2525双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性4.3 发射极电流集边效应4.3.1 发射极电流的分布半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性2626双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性4.3.2 发射极有效条宽半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性2727双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性4.3.3 发射极有效长
24、度半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性2828双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性4.4 发射极单位周长电流容量发射极单位周长电流容量4.4.1 集电极最大允许工作电流集电极最大允许工作电流4.4.2 线电流密度线电流密度4.5 晶体管最大耗散功率晶体管最大耗散功率4.5.1 耗散功率和最高结温耗散功率和最高结温4.5.2 热阻热阻4.5.3 晶体管的最大耗散功率晶体管的最大耗散功率半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性
25、双极型晶体管的功率特性2929双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性4.6 二次击穿和安全工作区4.6.1 二次击穿现象4.6.2 二次击穿机理及改进措施半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性3030双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性3131双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性4.6.3 安全工作区半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性3232双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性安全工作区半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的功率特性双极型晶体管的功率特性3333双极型晶体管的双极型晶体管的功功率特性率特性Thanks forThanks forListening!Listening!
