第四章 双极型晶体管功率特性

第一项是缓变基区自建电场分量,随注入水平提高(nb 增大)而减小。对于均匀基区，此项自然为零。 第二项是大注入自建电场分量，随注入水平提高(nb 增大，梯度增大)而增大（并在nb>>NB时趋于常数）。 故，特大注入时，只有大注入自建电场起作用，而且 其作用的极限是使基区少子分布梯度相当于小注入时的一 半。
的限制。
安全工作区
本章将围绕安全工作区的 要求，讨论大功率（大注 入）下的直流特性
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4.1 集电极最大允许工作电流ICM
•晶体管电流放大系数与集电极电流的关系见图4-1。
•在大电流下，b0随Ic增加而迅速减小，限制了晶体管最大工作电流。
•晶体管的电流放大系数主要决定于g和b，分析大电流下哪些特殊效应 使g和b发生哪些变化。 为了衡量晶体管电流放大 系数在大电流下的下降程度， 特定义:共发射极直流短路电 流放 大系数 b0 下降到最大 值 b0M的一半(即bo／boM＝0.5)时 所对应的集电极电流为集电极 最大工作电流，记为ICM
1.基区大注入下的电流（以n-p-n管为例） 大注入时，大注入自建电场作用下通过n+-p结的电子电流密度为：
n p ( x p ) dnp ( x) J qDn [1 ] p p ( x p ) dx
对于均匀基区晶体管
x x p
（1-48）
n p ( x p ) n0 n p ( x p ) n p ( x p ) nb (0) p p p ( x p ) p 0 p p ( x p ) N b nb (0) p
4
4.2 基区大注入效应对电流放大系数的影响
b随IC的增加而下降：发射效率g、基区输运b*、（势垒、表面）复合
基区大注入效应
1.基区大注入下的电流
2.基区电导调制效应 3.基区大注入对电流放大系数的影响 有效基区扩展效应 均匀基区，缓变基区（强场、弱场）
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4.2 基区大注入效应对电流放大系数的影响
n p ( x p ) N b n p ( x p ) 10N b nb (0) N B时 ； nb (0) 10N B时 p p (x p ) 2N b p p ( x p ) 11N b
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4.2 基区大注入效应对电流放大系数的影响
g eWb 1 ' b Lpe
1
eWb N b n 1 b Lpe Nb
1

eWb I neWb 1 [ ] b Lpe 2 Ae qDnb N b
（4-20）
21
1
图4-3 1/b随Ie的变化
• 在小电流下，大注入自建电场的作用使基区输运系数 增加（极限2倍） • 在大电流下，基区电导调制效应引起发射效率下降（起
3.基区大注入对电流放大系数的影响
0 eWb xmWb pb qV e 2 b 0 b Lpe 2 Lnb ni
1
eb
kT
Wb2 SASWb 2 2 Lnb Ae Dnb
表面复合项
(2 - 69)
势垒复合项
发射效率项
基区输运（体复合）项
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4.2 基区大注入效应对电流放大系数的影响
小注入下，基区电阻率 为 1 b q pb N b
(4 - 12)
大 注 入 下 ， b N b p N b n， 基 区 电 阻 率 p Nb 1 b q pb ( N b n) N b n
' b
(4 - 13)
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4.2 基区大注入效应对电流放大系数的影响
dnb NB kT 1 Eb N B nb q N B nb dx
11
dnb kT 1 d kT NB 1 dNB 1 E ( N B nb ) ( ) q N B nb dx q N B nb N B dx N B nb dx dnb NB kT 1 Eb N B nb q N B nb dx
dnp ( x) dx
nb (0) Wb
因为Wb Lnb
6
J ne
nb (0) nb (0) qDnb [1 ] x p 0 Wb N b nb (0)
（4-1）
当nb (0) N b时 ， 方 括 号 中 第 1， 上 式 变 为 2项 J ne nb (0) q(2 Dnb ) Wb
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4.2 基区大注入效应对电流放大系数的影响
3.基区大注入对电流放大系数的影响
J ne
nb (0) nb (0) qDnb [1 ] x p 0 Wb N b nb (0) IVb Wb2 1 nb (0) Nb 2 [ ] I ne 2 Lnb 1 2 nb (0) Nb
（4-1）
（4-16）
第四项：基区表面复合项，表示基区表面复合电流与 发射极电子电流之比。将式(2—66)与式(4－1)相比， 即可得到大注入下基区表面复合项 。
0 I rs As q Snb ( x2 ) AS qnb (e qVeb kT
1)
（2-66） （4-17）
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I rs SASWb N b nb (0) [ ] I ne Ae Dnb N b 2nb (0)
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4.2 基区大注入效应对电流放大系数的影响
2. 基区电导调制效应
大注入：注入少子浓度接近以至超过平衡多子浓度
基区大注入时，注入基区的电子浓度接近甚 至超过基区空穴平衡浓度。另外，为了维持电中 性，基区积累起与少子相同浓度和分布的空穴 （非平衡多子）参见图2-15c、d。
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15
n p ( x p ) n0 n p ( x p ) n p ( x p ) nb (0) p p p ( x p ) p 0 p p ( x p ) N b nb (0) p
建立缓变基区自建电场，而是按照基区大注入自建电场的要求去重新分
布。 因此，不同电场因子的缓变基区在大注入下有相同的电子浓度分布。 可以说，在大注入情况下，大注入自建电场取代（掩盖）了由于杂质分 布不均匀所形成的电场（缓变基区自建电场）。
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在(大注入、缓变基区)自建电场E作用下 dp J p q p pE qDp
第四章 双极型晶体管的功率特性
1 P-N结
2 直流特性 3 频率特性
大电流 (大注入) 4.1 集电极最大允许工作电流 ICM 4.2 基区大注入效应对电流放 大系数的影响(基区电导调制)
4 功率特性
5 开关特性
（6，7结型和绝 缘栅场效应晶体 管）
4.3 有效基区扩展效应
4.4 发射极电流集边效应 4.5 发射极单位周长电流容量---线电流密度 大功率 4.6 晶体管最大耗散功率PCM
2. 基区电导调制效应
注入载流子以及为维持电中性而增加的多子使 可见，非平衡少子浓度的变化引起基区电阻率的变化（调制） 实际上，引起电阻率变化的因素包括高浓度的非平衡少子，但 得基区电阻率显著下降，并且电阻（导）率随 作为基区电导调制效应影响电流放大系数（发射效率）的是基 注入水平变化，称为基区电导调制效应 区多子——空穴
8 噪声特性
高电压(击穿)
4.7二次击穿和安全工作区
1
6，7结型和绝缘栅场效应晶体管
3 频率特性 4 功率特性
5 开关特性
2 npn管直流特性
8 噪声特性
1 P-N结
2
第四章 双极型晶体管的功率特性

晶体管的输出功率受：
集电极最大电流ICM 最大耗散功率PCM 二次击穿特性（临界功率） 最高耐压BVcbo、BVceo
缺势垒复合项
nb (0) Wb2 1 nb (0) N b 1 eWb 由于基区电导调制效应，相当于基区掺杂浓度增大，穿 [1 ] 2 [ ] b b Lpe Nb 2 Lnb 1 2nb (0) N b （4-18） 过发射结的空穴电流分量增大，使g降。 第二项、第三 SA W N nb (0) S b[ b ] 项表明，由于大注入下基区电子扩散系数增大一倍，可 都很大 A N 2 n ) 0 eWb xmWb pb e Dnb eb kT b Wb2 b (0SASWb 1 e qV 2 (2 - 69) 视为电子穿越基区的时间缩短一半，复合几率下降，所 2 b 0 b Lpe 2 Lnb ni 2 Lnb Ae Dnb 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。 以使体内复合和表面复合均较小注入时减少一半。 I neWb Wb2 SASWb 1 eWb (1 ) 2 （4-19） b b Lpe 2 Ae qDnb N b 4 Lnb 2 Ae Dnb
3.基区大注入对电流放大系数的影响
表示发射结势垒复合的第二项在大注入下可以忽略，故 只需讨论其余三项在大注入下如何变化。
第一项：小注入时的发射效率项。大注入下基区电阻率 的变化使发射效率项变为
eWb eWb n (1 ) ' b Lpe b Lpe Nb
（4-14）
第三项：体复合项，它表示基区体复合电流Ivb与发射 极注入的电子电流Ine之比。若基区电子寿命为nb，则 Ae qWb nb (0) （4-15） I Vb 2 nb
这个过程比较复杂，书中给出简单近似分析。
得出结论：
在发射极电流密度很大的情况下，基区电子浓度线性分布， 且与杂质分布情况无关（均匀基区和缓变基区一样）。
由于大注入下扩散、漂移各半，电子浓度梯度只为小注入时 的一半时即可维持与小注入下相当的电流值。
仅仅是数学形式上 得到的推论。
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a图以电场因子h为参量，同图2-13； b图以d即Jne为qDnbNb(0)/Wb的倍数为 参量，表示注入水平（在h8时）。