晶体管的稳态热分析
BJT的电流放大系数及其温度稳定性
BJT的电流放大系数及其温度稳定性Xie Meng-xian. (电子科大，成都市)众所周知，BJT的输出电流都具有正的温度系数。
因此晶体管的温度稳定性往往是电路应用中值得注意的一个问题。
因为输出电流主要是由两部分组成的：一是少数载流子通过基区扩散到集电区而形成的电流（放大的输出电流正比于电流放大系数），二是集电结的反向饱和电流。
所以，BJT 输出电流的正温度系数既关系到集电结反向饱和电流的温度特性，也关系到电流放大系数的温度特性。
实际上，BJT的集电结反向饱电流和电流放大系数都是随着温度的升高而不断增大的。
所以导致BJT的输出电流显著增大。
温度升高时，集电结反向饱电流的增大较容易理解，因为该电流主要是少数载流子的扩散电流，与温度有指数函数关系。
但是，为什么电流放大系数也会不断地增大呢？——这与BJT的结构和工艺有关。
（1）BJT的电流放大系数：BJT的共基极电流放大系数α，是少数载流子从基区扩散到集电区的电流（不包括集电结的反向饱和电流）与发射极输入电流之比值。
因为共基极电流放大系数α主要由发射结的注射效率γ和基区输运系数β*来决定：因此，晶体管电流放大系数与温度的关系也就主要决定于注射效率γ和输运系数β*这两者的温度关系。
提高电流放大系数的措施主要有三个：①减薄基区宽度。
这样就可以减小基区复合、增大基区输运系数。
基区很薄，这是晶体管结构的一个基本特点（以保证发射结和集电结是相互关联着的）。
对于常规的BJT，为了获得很薄的基区宽度，在工艺上往往需要采用所谓浅结扩散技术（基区很浅，发射区更浅，这样才能保证p-n结面平坦，以便获得很薄的基区）。
②增大发射区掺杂浓度。
因为发射结注射效率与发射区-基区的掺杂浓度比有关，而基的掺杂浓度往往不能任意降低，则只有尽量提高发射区的掺杂浓度。
这样就可以使得从发射区注入到基区的少数载流子电流大大超过反向注入的电流，从而能够提高发射结注射效率。
发射结掺杂浓度不对称是一般BJT所必须具备的一个重要条件，否则难以获得高的电流放大系数。
第四章晶体管的频率特性与功率特性
交流放大系数α是复数，其幅值随着 频率的升高而下降，相位差随着频率的升 高而增大。
0
f 1 j f
α0 共基极短路电流放大系数的低频值
f α截止频率
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
共发射极短路电流放大系数及其截止频率 共射短路电流放大系数β：工作在共射状 态下的晶体管在输出端交流短路VCE0=0时，集 电极交流电流ic与基极输入电流ib之比。
i ne i CDe i VR i nc (0)
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
交流基区输运系数
i nc (0) i VR i CDe 1 i ne i ne
*
频率越高，分流电流iCDe越大，到达 集电结的电子电流inc(0)越小 所以，基区输运系数β*也随着频率的 升高而下降。
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
fm
最佳功率增益GPm=1时的频率，
它是晶体管真正具有功率放大能力的频率限制。 最高振荡频率表达式
fT fm 8Cc rb f T Le
1
2
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
高频优值（增益-带宽乘积）表达式
fT GPm f 2 8 rb f T Le Cc
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
集电极最大电流IcM
共发射极 直流短路电流 放大系数β下降 到其最大值βM 的一半时所对 应的集电极电 流。
半导体器件物理
第四章 晶体管的频率特性和功率特性
以共发射极运用为例，如何根据电源电压Vcc和 输出功率PO的要求来确定IcM。
I cM 4Po / Vcc
晶体管的热学-二次击穿-开关特性设计考虑
f
2
fT
8 rbb CTC
高频优值也称为 功率增益-带宽乘积，是晶体管的功率放大能 力与频率特性的重要参数综合衡量。
提高 M 的各项具体措施及其副作用
要使 rbb’↓，应： (1) l↑ ( 因
rbb
1
)
l
(2) s↓ ( 因 rbb s，但受工艺水平限制 )
(3) R口B↓
① NB↑(但使β↓，CTC↑，BVEBO↓)
得到热稳定的条件为：S=BT < 1
• VBE恒定
当用恒压源做发射结电压的偏置时，这时IC随 温度的变化是比较剧烈的。
B
Ic IcTj
VBE
5.4% /
C
• IB恒定时 当用恒流源作为基极电流的偏置时
B
Ic IcTj
Ib
d dTJ
EG kTJ2
的相对温度系数比Ic的小的多,通常不到1%/°C,
• 提高热稳定性不只是为了防止热击穿。由于晶体管的各项参数 都会随温度变化，热稳定性提高后，在一定偏置下结温的变动 减小，从而也使晶体管的各项参数得到稳定。
• 版图结构上的考虑
功率晶体管的基区若设计成单一面积，则由于基区周长较短而 导致热阻较大，造成管芯间较大的温差。结温的不均匀将导致 电流的不均匀分布，通过温度与功耗之间的正反馈而在基区中 心产生过热点导致正向二次击穿。为了克服这个问题，可以将 单一面积的基区分成若干小基区，每个基区构成一个子器件， 彼此相隔一定距离，并通过金属化并联起来。由于总的基区周 长加长使得热阻降低，同时使得结温分布较为均匀。
• 实际应用中常采用在发射极上串连一个镇流电阻 。这个电阻起到负反馈的作用。 VBE=EB-IE*RE≈EB-IC*RE
双极功率晶体管的工作温度与可靠性分析
双极功率晶体管的工作温度与可靠性分析引言：作为电子器件中的关键部件，功率晶体管在许多领域发挥着重要作用，包括电力系统、通信设备和工业电子等。
在需要处理大功率的应用中，双极功率晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT）是常用的选择之一。
然而，工作温度对于BJT 的性能和可靠性具有重要影响。
本文将对双极功率晶体管的工作温度与可靠性进行分析，并探讨如何提高其可靠性。
一、工作温度对双极功率晶体管性能的影响工作温度是双极功率晶体管性能的重要参数之一。
BJT的工作温度直接影响其导通特性、功率损耗和可靠性等方面。
1.1 导通特性BJT的导通特性是指在开启状态下，电流从集电极向发射极流动的能力。
在高温环境下，由于晶体管材料的性质改变，导通特性可能发生变化。
例如，从硅材料构成的NPN型双极晶体管中，高温会增加硅材料的本征载流子浓度，导致功率晶体管的导通特性提高。
因此，在设计电路时，应考虑到温度对双极功率晶体管导通能力的影响。
1.2 功率损耗功率晶体管的工作温度对其内部功率损耗产生重要影响。
功率损耗是指在双极晶体管中由于电流经过时产生的电压降、热效应以及材料内部电阻所消耗的功率。
当BJT处于高温状态时，会产生更多的功率损耗，这会增加晶体管的温度，进一步降低其可靠性。
因此，在高功率应用中，应合理设计散热系统，以降低BJT的工作温度，减小功率损耗。
1.3 可靠性BJT的可靠性也受到工作温度的影响。
温度对于双极晶体管的寿命和失效概率有着明显的影响。
在高温环境下，晶体管内部材料会因热膨胀以及热应力导致应力集中，进而可能导致器件损坏或失效。
此外，高温还会缩短晶体管的平均寿命。
因此，合理控制BJT的工作温度是提高其可靠性的关键。
二、提高双极功率晶体管可靠性的策略针对双极功率晶体管在高温环境下的可靠性问题，可以采取以下策略：2.1 优化散热系统在高功率应用中，设计和优化良好的散热系统是降低BJT工作温度的有效方法。
稳态工作条件下功率晶体管结温的测量与控制
稳态工作条件下功率晶体管结温的测量与控制贾颖1，曾晨晖1 ，梁伟2，李逗1，李霁红1（1．北京航空航天大学可靠性工程研究所，北京100083；2．济南大学物理系，济南250002）摘要：为了在试验周期中了解晶体管的结温，提出一种在功率晶体管稳态工作寿命试验过程中结温的测量与控制方法。
着重介绍了基于理想pn结肖克莱方程的结温测量原理，及试验过程中结温测控的技术难点和解决方案，指出了晶体管结温计算中存在的问题和修正办法，实验结果证明了该方法的可行性。
关键词：晶体管；稳态工作；结温；测量；控制中图分类号：TN321 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2006)01-0035-051 引言稳态工作寿命试验是考核功率晶体管可靠性行之有效的方法，现行国际标准（IEC）和欧美等国的标准及我国的国家标准、国家军用标准均将其规定为必须试验项目[1~4]。
稳态工作寿命试验条件要素包括：晶体管的电应力为与规定壳温Tc 相应的最大额定功率Ptotmax；晶体管的结温Tj符合标准的规定值，通常在最高允许结温Tjmax附近；晶体管稳态持续工作时间满足标准的要求。
例如，我国军用标准GJB128A-97《半导体分立器件试验方法》方法1039中的试验条件B：对底座或散热器安装的双极型晶体管，结温规定为Tj=T jmax ℃[5]。
GJB33A-97《半导体分立器件总规范》对质量一致性检验C6 分组稳态工作寿命试验条件规定的稳态持续工作时间为“在最高结温下至少1000h” [4]。
但是，现行的试验方法和设备都是按恒定壳温设计的，在试验过程中无法测量结温。
显然，要符合标准规定的试验应力要求，则需要在稳态工作寿命试验过程中实施结温的监测和控制。
在标准规定应力下取得的试验数据，才能反映晶体管在额定应力下工作时其实际可靠性特征。
因此，在稳态工作条件下实现受试晶体管的结温测量和控制有益于提高试验的可信性。
2 结温测量对于双极型晶体管，由于热源在pn结处，其最高温度通常指pn结的温度，即结温Tj 。
高温下高可靠军事晶体管的性能研究
高温下高可靠军事晶体管的性能研究高温环境一直是军事领域需要应对的重要问题。
随着先进武器装备的不断发展和应用，对电子元器件性能要求也越来越高。
军事晶体管由于具有高度稳定性、高可靠性、耐电压等优点，被广泛应用于各种军事设备中。
然而，在高温环境下，晶体管的热稳定性会受到很大影响，为此，研究高温下高可靠军事晶体管的性能尤为重要。
一、晶体管的结构和工作原理晶体管是现代电子中应用最为广泛的半导体器件之一，它具有电子管传统器件所没有的优点，如小尺寸、低功耗、高速度、高效率、高集成度等。
晶体管包括PNP和NPN两种类型，它们的结构和工作原理略有不同，但都是由多个半导体层堆叠而成。
PNP 晶体管在其三个区域中央夹杂一层N型半导体，该区域叫基区。
在基区导通时，电流流向基极，而从发射极汇集。
NPN晶体管与PNP晶体管的结构基本相同，但是三个区域的类型正好相反。
晶体管的工作原理的核心是控制电流的流动。
通过控制基极电流的大小，从而控制从发射极到集电极的电流。
在电路中将晶体管放置在欲控制电流流动的位置，当通过基极的电流大于晶体管的饱和电流，发射极和集电极的电流就能够通过晶体管流动。
二、晶体管的热稳定性现代武器装备往往需要在极端环境条件下运转。
因此，晶体管的热稳定性成为制约军事设备稳定性和性能发挥的重要因素之一。
高温环境下，晶体管将受到较大的温度变化和热膨胀，导致器件发生功耗过大、漏电现象、击穿甚至短路等问题，从而降低晶体管的可靠性和使用寿命。
研究表明，温度升高的时候，由于半导体中的载流子数目增多，而空穴的扩散速度较快，使得电阻降低，电离损失增加。
如果超过了晶体管的最高温度额定值，甚至会导致器件失效。
因此，提高晶体管的热稳定性是必要且具有挑战性的任务，军事晶体管的性能研究也应该侧重于此方面。
三、高温环境下晶体管性能的研究为了满足军事设备的高稳定性和高可靠性需求，研究高温下高可靠军事晶体管的性能至关重要。
为此，许多科学家和工程师在此领域进行了密集的研究。
电子风扇控制器中MOSFET的热分析
电子风扇控制器中MOSFET的热分析电子风扇控制器是一种用于调节风扇转速和控制风扇运行的设备，广泛应用于家用电器、工业设备和汽车等领域。
在电子风扇控制器中，MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种常用的功率开关器件，用于控制风扇的电源开关和调节风扇的转速。
由于MOSFET工作时会产生一定的热量，因此对其进行热分析非常重要，可以帮助设计工程师充分了解MOSFET的热特性，选用合适的散热方案，提高电子风扇控制器的可靠性和稳定性。
MOSFET是一种三端器件，通常由金属、氧化物和半导体组成。
在电子风扇控制器中，MOSFET主要用于开关电流，其工作原理是通过控制栅极电压来改变导通状态。
当栅极施加正向偏压时，MOSFET导通，电流通过；当栅极施加负向偏压时，MOSFET截止，电流被阻断。
在实际工作中，MOSFET会不可避免地产生一定的开关损耗和导通损耗，从而产生热量。
为了确保MOSFET正常工作，必须对其进行热分析，合理设计散热方案。
在电子风扇控制器中，MOSFET的热量通常由两部分组成：开关损耗和导通损耗。
开关损耗是由MOSFET在开关过程中产生的能量损失引起的热量，主要取决于开关频率和负载大小；导通损耗是由MOSFET在导通状态下产生的能量损失引起的热量，主要取决于导通电流和MOSFET的导通状态。
在进行热分析时，需要对开关损耗和导通损耗进行综合考虑，确定MOSFET的最大工作温度和散热需求。
为了进行有效的热分析，可以采用有限元分析（FEA）和热仿真技术。
有限元分析是一种数值计算方法，可以通过将实际结构离散成有限个小单元，在每个小单元上建立方程组，通过求解方程组来获得整体结构的热特性。
而热仿真技术是一种基于计算机模拟的方法，可以通过建立MOSFET的热传导模型和散热系统模型，预测MOSFET的工作温度和热量分布情况。
通过有限元分析和热仿真技术，可以对MOSFET进行全面的热分析，找出热点位置和热量分布，在设计散热系统时提供有力的参考依据。
附录 A Workshop 2的菜单操作格式(晶体管的稳态热分析)
步骤5c: 面相加。
1
Workshop 2
前处理
2 3 4
5
注: 我们在此将要相加的面选取出 来。这是其中一种方法。
6
A-35
步骤5c: 续…
1
Workshop 2
前处理
2
相加前:
A-36
步骤5c: 续...
Workshop 2
前处理
look
1
A-37
步骤5c: 续…... 查看相加后的面。
1 2
next 重复这些步骤，将所有相交线段都倒圆角。
A-30
步骤5b: 续.. 检查画线情况。
Workshop 2
前处理
look
next 下面, 生成用这些线段包围的面。
A-31
Workshop 2
前处理 步骤5b: 续…….. 在每个倒圆角的区域生成独立的面。
2
1
注: 这四个新面可以用新生成的倒角线为边界生成。 交线在生成倒角时已经切割好了。
Rectangle 3 Rectangle 4
0 0.0225
0.03
0.04
0 0.0025
0
0.03
6
Rectangle 5 0.0075 0.0125
0
0.03
Rectangle 6 0.0175 0.0225
0
0.03
A-19
步骤5a: 续…
Workshop 2
前处理
1 2
4
X1
X2
Y1
Y2
1
注: 单元也要选择，平面单元才会有正确的方向。
6
2
3 7
4
look
晶体管双稳态电路
晶体管双稳态电路
晶体管双稳态电路是一种正反馈电路，具有两个稳定状态。
在双稳态电路中，触发器的初始状态可以是BG1导通、BG2截止，或者相反。
当触发脉冲方波从1端输入，经CpRp微分后，在A点产生正、负方向的尖脉冲。
只有正尖脉冲能通过二极管D1作用于导通管BG1的基极，使电路在每触发一次后翻转一次。
双稳态电路的触发电路形式有单边触发、基极触发、集电极触发和控制触发等。
这种电路可以用于计数电路、分频电路和控制电路中，具有记忆功能，因此被广泛应用于各种电子设备中。
BJT的电流放大系数及其温度稳定性
BJT的电流放大系数及其温度稳定性Xie Meng-xian. (电子科大，成都市)众所周知，BJT的输出电流都具有正的温度系数。
因此晶体管的温度稳定性往往是电路应用中值得注意的一个问题。
因为输出电流主要是由两部分组成的：一是少数载流子通过基区扩散到集电区而形成的电流（放大的输出电流正比于电流放大系数），二是集电结的反向饱和电流。
所以，BJT输出电流的正温度系数既关系到集电结反向饱和电流的温度特性，也关系到电流放大系数的温度特性。
实际上，BJT的集电结反向饱电流和电流放大系数都是随着温度的升高而不断增大的。
所以导致BJT的输出电流显著增大。
温度升高时，集电结反向饱电流的增大较容易理解，因为该电流主要是少数载流子的扩散电流，与温度有指数函数关系。
但是，为什么电流放大系数也会不断地增大呢？——这与BJT的结构和工艺有关。
（1）BJT的电流放大系数：BJT的共基极电流放大系数α，是少数载流子从基区扩散到集电区的电流（不包括集电结的反向饱和电流）与发射极输入电流之比值。
因为共基极电流放大系数α主要由发射结的注射效率γ和基区输运系数β*来决定：因此，晶体管电流放大系数与温度的关系也就主要决定于注射效率γ和输运系数β*这两者的温度关系。
提高电流放大系数的措施主要有三个：①减薄基区宽度。
这样就可以减小基区复合、增大基区输运系数。
基区很薄，这是晶体管结构的一个基本特点（以保证发射结和集电结是相互关联着的）。
对于常规的BJT，为了获得很薄的基区宽度，在工艺上往往需要采用所谓浅结扩散技术（基区很浅，发射区更浅，这样才能保证p-n结面平坦，以便获得很薄的基区）。
②增大发射区掺杂浓度。
因为发射结注射效率与发射区-基区的掺杂浓度比有关，而基的掺杂浓度往往不能任意降低，则只有尽量提高发射区的掺杂浓度。
这样就可以使得从发射区注入到基区的少数载流子电流大大超过反向注入的电流，从而能够提高发射结注射效率。
发射结掺杂浓度不对称是一般BJT所必须具备的一个重要条件，否则难以获得高的电流放大系数。
晶体管玻尔兹曼极限
晶体管玻尔兹曼极限引言晶体管是现代电子设备中最为重要的元件之一，它广泛应用于集成电路、计算机处理器、通信设备等各个领域。
然而，随着晶体管尺寸的不断缩小和功耗的不断增加，晶体管所能承受的热量也变得越来越重要。
在极端环境下（如高温、高密度）晶体管的工作稳定性和效率将受到严重影响。
因此，了解晶体管的热传输特性成为一项十分重要的课题。
玻尔兹曼极限是热力学中的一项经典理论，它描述了宏观尺度下热流密度和温度的关系。
在微观尺度下，玻尔兹曼常数揭示了热分布与粒子的速度分布之间的关系。
因此，玻尔兹曼极限被广泛应用于描述能量传输、热传导和热辐射过程。
本文将探讨晶体管在玻尔兹曼极限下的工作特性，包括热传导、能量传输和热辐射。
同时，我们也将讨论晶体管在极端环境下的热稳定性和性能优化方法。
晶体管的热传导晶体管的热传导是其在玻尔兹曼极限下工作的重要特性之一。
热传导是指热量在物质中由高温区传递到低温区的过程。
在晶体管中，电子通过热传导将能量传递给晶格振动，从而引起晶体管的加热。
根据玻尔兹曼极限的理论，热传导系数与材料的电子结构、晶体结构和温度等因素密切相关。
在晶体管中，热传导系数对其热稳定性和散热性能有着重要影响。
当晶体管工作在高功率或高密度环境下，其热传导系数将对散热效率产生重要影响。
此外，晶体管的尺寸和结构也会影响其热传导特性。
随着晶体管尺寸的不断缩小，其表面积-体积比将增大，从而增加了热耗散的难度。
因此，在设计晶体管时需充分考虑其热传导特性，以优化其散热效率和热稳定性。
晶体管的能量传输在玻尔兹曼极限下，晶体管的能量传输也是一个重要的研究课题。
能量传输是指能量由电子向晶格振动传递的过程。
在晶体管中，由于电子的热激发和运动，其能量将被传递给晶格振动，从而产生了热效应。
根据玻尔兹曼极限的理论，能量传输与晶体管的电子结构、晶体结构和温度等因素密切相关。
晶体管的能量传输不仅对其热稳定性产生影响，同时也影响其电性能和可靠性。
在高功率或高密度环境下，晶体管的能量传输将对其工作性能产生负面影响。
WS2晶体管的稳态热分析
要粘接平面，使用 Operate>>
Glue>>Areas>> PickAll (AGLUE)
W2-8
前处理
详细的前处理说明 (续):
5. b. 生成圆角。
使用 Create>>LineFillet, 然后选 择相交的线并输入半径 (0.0025)。
(LFILLT)
然后使用 Create>>Areas>> Arbitrary>>ByLines 选择边界线 生成面。 (AL)
•
在此出结果:
我们将使用这个结果与手工计算相比较。
W2-18
后处理
详细说明-后处理(续...)
21. 显示温度为或超过100 °C的模 型区域。
•
使用 Select Nodes>> By
Results>> DOF Solution>> Temp 并输入数值范围。 (NSEL)
•
选择与结点相连的单元，然后绘 制温度解。 (PLNSOL)
W2-19
后处理
详细说明-后处理(续...) 22. 生成热流向量图. (PLVECT)
– 使用 Plot Results>>Vector Plot>>Predefined>>Thermal Flux ，由于模型有多种材料，使用 element centroid 为向量解位置
。
23. 生成温度梯度向量图 (PLVECT) – 使用 Plot Results>>Vector Plot>>Predefined>> Thermal Flux ，由于模型有多种材料，使用 element centroid 为向量解
实验30 晶体管稳态热阻的测量
晶体管稳态热阻的测量晶体管热阻是表征晶体管散热能力的一个基本参量，该参量对于大功率晶体管的设计、制造和使用尤为重要。
晶体管热阻的测量主要有热敏参数法和红外扫描法，其中热敏参数法是非破坏性测量晶体管热阻的基本方法，测量的是平均热阻。
对应于稳态情况下测量的是稳态热阻，在非稳态情况下测量的是顺态热阻。
红外扫描法测量的是峰值热阻。
本实验采用QR2型大功率晶体管热阻测试仪测量晶体管的稳态热阻。
实验目的是熟悉用集电结正向压降作为热敏参数测量结温的原理，掌握用QR2型热阻测试仪测量晶体管稳态热阻的方法及误差分析。
一、 实验原理如果给晶体管发射结施加征象偏压BE V ，给集电结施加反向偏压，CB V 使晶体管正常工作，那么电源在晶体管总的耗散功率为：C BE E C VI V I P += (1)由于电流的热效应，耗散功率要转化为热，引起pn 结温度（以下简称结温）升高。
一般情况下，集电结偏压CB V 比发射结偏压BE V大的多，对于设计良好的晶体管，C E I I =，因而集电结耗散功率比发射结大的多，集电结温度最高，成为晶体管的热源。
因为一般管心面积很小，热传导成为晶体管散热的主要途径。
当管芯集电结耗散功率所产生的热量和单位时间散发的热量相等时，达到了热稳定状态，可以用下式表示：thA J C R T T P /)(-= (2)式中th R 就是描述晶体管散热能力大小的参量，称之为晶体管热阻。
将上式改写为：C A J th P T T R /)(-= (3)这就是热阻的定义，即单位耗散功率引起结温升高的度数，其单位为℃/W 。
以上二式中J T 为集电结温度，A T 为环境温度。
由热阻的定义可以看出，只要给被测管施加一定功率，在热稳定情况下测出晶体管的耗散功率，并测出此耗散功率下的集电结温度和环境温度就可以用公式（3）计算出晶体管的热阻。
晶体管耗散功率和环境温度的测量都比较简单。
关键是集电结温度J T 的测量。
晶体管的温度稳定性和零点漂移
晶体管晶体管特性特性特性的温度稳定性的温度稳定性（电子科大微固学院 Xie Meng-xian ）双极型晶体管在应用上的温度稳定性是一个很重要的问题。
因为晶体管是温度的敏感器件，它的参数（V BE 、β、I CBO ）都将会随温度而发生变化，并使得放大电路的静态工作点产生偏移。
这种变化不仅会影响到一般电路工作的稳定性，而且也会导致晶体管直接耦合放大电路产生零点漂移（温度漂移）。
对于一般的晶体管放大电路，其温度的稳定性就主要决定于晶体管工作点（直流电压和直流电流）随着温度而发生的变化；而导致这种变化的主要原因则是晶体管集电结反向饱和电流（I CBO ）的变化。
（1）影响晶体管温度稳定性的因素影响晶体管温度稳定性的因素：：因为共发射极放大晶体管的输出集电极电流I C ，可表示为放大了的输入电流（即βI B ）与晶体管穿透电流I CEO 之和：I C = β I B + I CEO ≈ β I B + β I CBO可见，当工作温度变化时，晶体管电流放大系数β的变化以及I CBO 的变化，都将要引起晶体管输出电流的变化（即工作点变化）。
由于集电结反向饱和电流I CBO 是少数载流子扩散电流，则该电流决定于集电区和基区中的是少数载流子浓度梯度，近似与该两个区域中的少数载流子浓度成正比。
而半导体中的少数载流子浓度与温度之间存在着指数函数的关系（即少数载流子浓度将随着温度的升高而指数式增大），因此，晶体管的I CBO 也将随着温度的升高而指数式增大。
从而，这就会导致晶体管输出电流也相应地随着温度的升高而很快增大。
相对来说，晶体管电流放大系数随温度的变化较小，则在考虑温度变化的影响时，可以忽略β变化对晶体管输出电流的作用。
所以，在温度变化时，晶体管输出电流的变化将主要是由于晶体管的集电结反向饱和电流这个因素的影响。
从而可以见到：① 为了提高晶体管的温度稳定性，就应该尽量减小晶体管的集电结反向饱和电流或者晶体管的穿透电流。
结温可控的晶体管稳态工作寿命试验方法研究
计、研制、生产、试验、筛选及验收等各个过程，均 制定了严格的要求、详细的技术规范和试验方法， 通过执行这些要求和方法保证电子器件满足系统 使用的技术要求，并在寿命周期内获得高的可靠 性 .其中晶体管稳态工作寿命试验是微电子器件 重要试验项目之一，国际标准、美国军用标准和我 国有关标准都将其规定为必须的试验项目［1 ~ 3］.
在此条件下由公式（2）推出的 Tj 达不到要求值，
即 Tj ! TJM Tj 的降低导致在规定的试验时间内
达不到要求的 F（ I），从而使一些可靠性水平可能
并不高的器件被误认为是高可靠性器件，给系统
应用埋下可靠性隐患 此外，值得指出的是，晶体
管的热阻并不是一个常数，试验过程中，器件的各
种物理、化 学 变 化 将 导 致 热 阻 增 大，使 Tj 超 过 T JM ，引入 新 的 失 效 机 理，使 试 验 的 可 信 度 降 低 "现行的稳态工作寿命试验控制壳温的方法，大 多采用金属散热器加风冷或水冷散热的方式，由
Tj = PtOt > Rt（h j-<） + T<
（2）
式中 PtOt 为施加晶体管额定功率；R 为 t（h j-<） 晶体
管结- 壳热阻；T< 为晶体管壳温
显然，现行试验方法存在如下问题：!按照试
验方法要求，Rt（h j-<）应为设计值，Tj 才能达到 TJM
而功率晶体管实际的 R 一 t（h j-<） 般都比设计值小，
VF
"
V（F
Tl
）+
#V F #T
（ T - Tl ）=
Tl
( ) VgO
+
!ITl g
+（
功率MOSFET器件稳态热阻测试原理及影响因素
功率MOSFET器件稳态热阻测试原理及影响因素康锡娥【摘要】Thermal resistance value is an important parameter for judging power MOSFET device thermal performance advantages and disadvantages, so thermal resistance test is very important. In the paper, through of three thermal resistance test methods, the infrared scanning, LCD shows temperature method, standard electrical method compares the advantages and disadvantages, summed up the standard electrical test method is more suitable for MOSFET thermal resistance test. Based on according to the heat resistance test system Phase11, elaborated the principle of power MOSFET thermal resistance test, and emphatically through examples on the standard electrical method for testing resistance factors: test current Im, calibration coefficient K, reference temperature Tj and test fixture nodes were analyzed in detail, summed up the methods of reducing thermal resistance measurement error, for the thermal resistance of the exact test and device testing standards provide the basis for the development.%热阻值是评判功率MOSFET器件热性能优劣的重要参数，因此热阻测试至关重要。
稳态热阻对大功率晶体管寿命试验的影响
定的合格判据（ ０．８３ ／Ｗ
由于详细规范中无稳态平均热阻（以下简称平均热阻
参照热像测试结果 寿命功率条件及多次试验结果 平均
热阻采用的测试条件为 Ｖ ＝２４Ｖ Ｉ ＝３Ａ 加电时间 ２０ｓ
ＣＥ
Ｃ
实测结果 ０．５５ ／Ｗ ０．８５ ／Ｗ
１０ 只样品用 ＳＴＳ２１０３Ｂ 半导体分立器件测试系统（脉
冲法）对规范规定的电参数（Ａ２）进行测试 结果合格
Keywords: thermal resistance; steady state thermal
resistance; mean steady state thermal resistance; peak steady state thermal resistance
１ 关于热阻
１．１ 概念
热阻是半导体器件的重要技术指标 是器件热特性的
（４） 即使稳态热阻 在不同功率条件下也不一定是固 定值 研制单位应在详细规范中给出热阻随功率变化曲线 指导用户安全使用产品
６ 结束语
５ 建议
（１） 对于功率器件 瞬态热阻很难全面 准确地反映 器件实际工作时的热性能 原因有二 其一 瞬态热阻随 加电时间的变化而变化 时间参数受热容的影响 当加电 时间较短时 仅反映器件管芯散热通路中的局部热阻 其
监测
试验进行到１５０ｈ 时 一台电源总电流下降了０．５Ａ 检
查样品和控制电路发现５７＃样品ＩＢ回路中的电阻异常发热 取下 ５７＃ 样品 其余样品继续试验 待 ５７＃ 样品冷却后 对
其进行 Ａ２ 分组测试 结果合格
ＩＣＢＯ
ｈＦＥ 也满足规
范要求 将 ５７＃ 样品单独安装在散热板上 同样的控制电
路 调整回路电阻 使 ＩＣ 达到 ４Ａ 始慢慢下降（最高壳温未超过 ８０ 趋于稳定
晶体管的热崩溃
晶体管的热崩溃（runaway）Xie Meng-xian. (电子科大，成都市)众所周知，半导体的许多特性都与温度有较大的关系，因此半导体器件性能的温度稳定性往往是一个值得注意的问题，特别是与少数载流子浓度有关的一些特性（因为少数载流子浓度将随温度的升高而指数函数式地增大），例如p-n 结的反向饱和电流，就与温度有很大的关系。
半导体器件的这种温度稳定性问题是其固有的属性，只能在设计制造时尽可能减弱，但不可能完全消除。
因此在使用器件时就需要设法采取若干技术措施来提高半导体器件的温度稳定性。
在此，较好的偏置电路和散热装置就是经常需要采取的两种重要的措施。
（1）晶体管的温度稳定性：因为BJT的输出集电极电流IC可以用发射极电流IE和集电结反向饱和电流ICBO表示为：IC = a IE + ICBO所以，当温度升高时，ICBO的增大（对于Si晶体管，大体上温度每升高6℃，ICBO就增大一倍），就会导致IC增大，使得晶体管的工作点发生变化，这种现象就是晶体管的温度稳定性问题。
常常采用所谓温度稳定性系数S=△IC/△ICBO来表示这种效应的大小（S值越接近1越好）。
在应用上，为了提高双极型晶体管的温度稳定性，可以采用合适的偏置电路，例如电流负反馈或者电压负反馈偏置电路。
这些偏置电路的温度稳定性较优越于恒定基极电流偏置电路，其主要原因就在于这些负反馈偏置电路的发射极端头上串联有电阻，该发射极电阻就起着负反馈作用，能够抑制集电极电流的增大；并且发射极电阻越大，抑制能力就越强。
实际上，采用发射极电阻是一种降低S值、提高温度稳定性的最有效的方法。
在制作大功率晶体管时，往往在发射区金属电极膜上先淀积一层Ni-Cr金属层，然后再在该金属层上压接电极引线；这里的Ni-Cr层也就起着发射极电阻的作用，能够提高晶体管的温度稳定性。
但是，串联在发射极端头的外接电阻不能太大，这是由于有两方面的限制：①因为较大的发射极电阻会降低晶体管的放大性能（这是由于输入电压是跨接在发射结和发射极电阻之上的，较大的发射极电阻会大大降低发射结上的有效作用电压）；②当晶体管作为大功率放大使用时，较大的发射极电阻是不容许的（会造成较大的损耗）。
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2700
963
156
3254.8 871.7
163.3
W2-7
前处理
详细的前处理说明 (续):
5. 建立模型。
a. 生成六个独立的矩形, 然后粘接在一起。
– 使用Create>>Rectangle>> By Dimensions 并输入矩形尺寸。 (RECT)
X1
X2
Y1
Y2
Rectangle 1
1. 将菜单过滤为Thermal(KEYW)
2. 指定文件名为“wkshop2”(/FILNAM) 标题 为”Workshop 2 - Full Power Transistor Analysis - Steady-State” (/TITLE).
3. 定义两个单元类型 (ET):
类型1: PLANE77. 设置关键选项为连续的比 热矩阵，平面行为
W2-9
前处理
详细的前处理说明 (续):
5. c. 加所有热沉面, 包括圆角面, 生成一个大面 (AADD)。
(注: 将面加在一起会得到更加均匀的单元尺寸和更好的单元形状) 。
加前:
加后:
W2-10
前处理
详细的前处理说明 (续): 6. a. 每个面的属性对齐
使用 MeshTool>>Element Attributes>>Areas>>Set (AATT)
详细的前处理说明 (续):
7. a. 尽管不是必要，带附加结点的平面效果单元选 项用来简化对流热损失计算。要生成他们: 选择 对流面上的结点和相连的单元。
– 选择外部线。然后重新选择施加对流载荷的 线 (LSEL)。使用Select Nodes>> Attached to>> Lines, all (NSLL)。然后使 用Select Elements>>Attached to>>Nodes (ESLN)。单元结果绘图:
W2-3
尺寸:
晶体管稳态热分析
假设 • 一个平面镜象对称。 • 使用SI单位。(kg, m, s, W, J) • 环境的辐射作为等效均匀热流建模。 • 忽略组件接口的接触热阻。 • 各向同性的晶体管材料。 • 均匀晶体管热生成。 • 前面和背面无热传递; (无轴向温度梯度)。 • 对流由均匀换热系数和常数的介质温度建模
0
0.03
要粘接平面，使用 Operate>>
Glue>>Areas>> PickAll (AGLUE)
W2-8
详细的前处理说明 (续):
前处理
5. b. 生成圆角。
使用 Create>>LineFillet, 然后选 择相交的线并输入半径 (0.0025)。
(LFILLT)
然后使用 Create>>Areas>> Arbitrary>>ByLines 选择边界线 生成面。 (AL)
类型 2: SURF151. 设置关键选项为平面行为 ，包括中间结点，附加结点，附加结点为流 体温度 ，在平均温度的h, 包括辐射。
PLANE77可以建立 两次温度分布模型 。对于曲线模型类 似热沉的圆角等比
较理想。
W2-6
前处理说明
详细前处理说明:
4. 定义线性材料特性。 (MP) 比热和密度在此处输入。尽管他们在稳态分析中不需要，在后面第4 章的瞬态分析中是必须的。 (见下面表格)。
Aluminum heat sink
plane of symmetry
W2-2
晶体管稳态热分析
总体分析目标: •对于本例, 假设稳态功率为20瓦，完成下列要求：
1. 求出系统在稳态下温度场的分布。 2. 找出系统最高温度点的位置和最高温度数值。 3. 判断是否有区域温度超过设计要求，如有，找出其位置。
Material Properties
Transistor (1) Isolator (2) Heat Sink (3) Mass Averaged
Density Specific
Thermal
(Kg/m3) Heat (J/Kg/C) Cond. (W /m/C)
3500
500
50
8900
385
393
500
50
Isolator (2)
8900
385
393
使用 MeshTool 指定划分:Areas, SHheaatpSein:k Q(3)uad,2M70e0sher:9F63ree (AME1S56H)
Mass Averaged 3254.8 871.7
163.3
W2-11
Preprocessing
。 • 深度为 0.025m • 所有单位为米。
W2-4
晶体管稳态热分析
晶体管热耗散:
20 W - 高功率
其他设备辐射的等效热 流: q* = 1500 W/m2
热载荷
Symmetry Plane
冷却叶片高速的 强制对流:
h = 51 W/m2 °C
T = 50 °C
W2-5
前处理说明
详细的前处理说明:
b. 设置SmartSize级别= 3
使用 MeshTool>>SmartSize
(SMRT)
Material Density Specific
Thermal
Properties (Kg/m3) Heat (J/Kg/C) Cond. (W /m/C)
c. 划分面。
Transistor (1) 3500
例题 2 晶体管的稳态热分析
问题基本描述: • 晶体管放置在铜隔热器上，该隔
热器放置在铝制散热器上。晶体 管产生热量，而且系统接收附近 部件的辐射能。整个系统采用风 冷。
设计要求: • 整个系统热平衡时温度不超过
100°C.
本例的命令流文件在附录C中。
Transistor
Copper isolator
W2-12
前处理
详细的前处理说明 (续):
7. b. 生成 “附加”结点。
– 使用 Create>>Node>>In Active Csys>> 并指定结点号 5000 (N)。位置 可选; 建议x=0, y= -0.01, z=0。
c. 定义缺省网格属性为SURF151。
– 使用 MeshTool 或
Attributes>>Defin25
0.05
Rectangle 2
0 0.0225
0.04 0.0425
Rectangle 3
0 0.0225
0.03
0.04
Rectangle 4
0 0.0025
0
0.03
Rectangle 5 0.0075 0.0125
0
0.03
Rectangle 6 0.0175 0.0225