第5章 晶体管功率特性

基区体复合电流： IVR
Aq
bn

Wb
o
AqWb nb ( x )dx n0 2 nb
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晶体管功率特性 表面复合电流： I SR As qSn0
小注入发射区注入基区的电子电流：
电子器件基础
dn nb (0) 0 I nE AqDnb AqDnb dx Wb
nb (0) n0 ne (0)e qVBE / KT N EeqVBE / KT
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晶体管功率特性
电子器件基础
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。
N+
E P pb
○
EC N
n0 nb
●
ppb
npb 大注入：VBE>>0 VBC<0
n0 I nEWb N B AqDnb N B
1 1 I nEWb 大注入时： a bv a b 0 2 2 AqDnb N B
随工作电流增大，β0 线性下降
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1
晶体管功率特性
电子器件基础
3 大注入对基区渡越时间的影响
载流子基区渡越时间：
b
Wb
o
qnb ( x) dx J nE
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晶体管功率特性
电子器件基础
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
晶体管正常工作，发射结正偏，集电结反偏； 集电结势垒区一维泊松方程：
dE q NC nc dx 0
NC：集电区杂质浓度 nc：注入到集电结的 电子浓度
对均匀基区晶体管： dN B
dx 0
dnb nb dnb 1 J nb qDn 1 qDn 2 N n dx 1 n N b B dx B b 忽略基区复合： J nb J nB J nE J nC
边界条件： nb Wb 0
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。
3
晶体管功率特性
电子器件基础
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；
E （N） B （P）
pb pb nb nb npb ppb
C （N ）
小注入：VBE>0 VBC<0 大注入：VBE>>0 VBC<0
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晶体管功率特性
电子器件基础
小注入：nb << ppb nb >> npb pb= ppb+ nb≈ ppb
E （N）
B （P） pb pb nb nb
C （N）
小注入 nb N B 特大注入 nb N B
nb nb ln(1 ) NB NB
n0 N B
nb x (1 ) no Wb nb 1 x (1 ) no 2 Wb
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极端大注入情况下，基区少子浓度分布的斜率减少一半。
晶体管功率特性
对缓变基区晶体管： dN B
电子器件基础
湖南大学电子科学与技术专业
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晶体管功率特性
电子器件基础
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
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晶体管功率特性
电子器件基础
本章要求：
掌握双极型晶体管大注入效应、基
均匀基区晶体管小注入时：
x x J nEWb nb ( x ) (1 )n0 (1 ) Wb Wb qDnb
Wb2 基区渡越时间： b 2Dnb
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晶体管功率特性
大注入时，均匀基区和缓变基区均为：
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1 x x J nEWb nb ( x ) (1 )n0 (1 ) 2 Wb Wb 2qDnb
电子器件基础
dx
0
基区少数载流子浓度的微分方程：
dnb dN B J nB ( N B 2nb ) nb ( N B nb ) 0 dx dx qDnb
设基区杂质分布为指数分布 小注入 nb N B
N B ( x) N B (0)e
x Wb

dnb J nB nb 0 微分方程为： dx Wb qDnb
大注入：nb ～ ppb nb >>npb pb= ppb+ nb >> ppb 基区多子浓度大大增 加，电阻率下降—— 基区电导调制。
ppb
npb
小注入：VBE>0 VBC<0 大注入：VBE>>0 VBC<0
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晶体管功率特性
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平衡时基区电阻率： b q p q N pb pb pb B 晶体管放大工作时基区电阻率：
Wb2 Wb2 基区渡越时间： b 4 Dnb 2 2 Dnb
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。
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晶体管功率特性
(Wb x ) J nB Wb Wb 解得： nb ( x) e 1 qDnb
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晶体管功率特性
特大注入 nb N B 微分方程为：
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dnb J nB NB 0 dx 2Wb 2qDnb

J nBWb x 1 n ( x ) (1 ) N (0)( e e 解得： b B 2qDnb Wb 2
发射区中发射结边界处少子浓度：
pe (0) pb (0)eqVBE / KT NB n0 eqVBE / KT
n0 取： v NB
代入：
Wb2 SASWb a 2 2 Lnb ADnb
b
Wb D pe N B We Dnb N Eห้องสมุดไป่ตู้
IC I nE o I B I pE IVR I SR

Wb
x
)
nb x 1 x 1 N B (0) (1 ) (e e n0 2 Wb 2 n0
n0 N B 0


Wb
x
)
nb ( x) 1 x (1 ) no 2 Wb
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大注入时，缓变基区与均匀基区具有相同结果。
晶体管功率特性
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pb p pb nb N B nb
KT E q
1 dN B 1 dnb N B nb dx N B nb dx
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晶体管功率特性
小注入时： （nb << NB） 大注入时： （nb ～ NB）
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KT 1 dN B E Eb q N B dx
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。
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晶体管功率特性
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第1节 基区电导调制效应
1 基区载流子分布
晶体管放大工作： VBE>0 VBC<0 发射区电子向基区注入， 基区少子（电子）浓度增 加； 电中性要求多子（空穴） 浓度等量增加，由基极正 电源提供。
n0
ppb
nb
●
npb 大注入：VBE>>0 VBC<0
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晶体管功率特性
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大注入自建电场的表示
dpb 基区空穴电流密度： J pb q p pb E qD pb dx 动态平衡时净空穴电流： J pb 0
Dp 1 dpb 自建电场： E p pb dx
Dp
KT p q
大注入均匀基区晶体管： I nb AqDn 1

nb dnb N B nb dx
n0 n0 I nE I nb (0) AqDn 1 N B n0 Wb
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晶体管功率特性
基区注入发射区的空穴电流：
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I pE
dp pe (0) AqDpe AqD pe dx We
1

1 q pb p pb
b
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晶体管功率特性
电子器件基础
注入基区载流子的运动 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。
EC N+ P pb n0 nb
●
N
ppb
npb
大注入：VBE>>0 VBC<0
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晶体管功率特性
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1 v a b(1 v) 0 1 2v 小注入 n0 N B v 1 1 a b 0 1
特大注入 n0 N B 0 v 1 小注入→大注入： 注入 n0 v
1
1 0 2 a bv
电子器件基础
4 大注入临界电流密度
取临界大注入：nb ( x) N B
基区载流子线性分布近似，取平均值：
1 J nEWb nb x n0 2 2qDnb
临界大注入电流密度——大注入判据：
2qDnb N B J er Wb
即当 nb ( x) N B 时发生大注入现象， J nE J er
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晶体管功率特性
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当场强大于104V/cm时，载流子以极限饱和 漂移速度 υS 运动； 流过集电结的电流密度为电子漂移电流密度：
JC J C J nC qS nc nc qS 代入一维泊松方程并求解得：
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晶体管功率特性
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大注入自建电场的作用
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。
N+ E P pb
○
EC N
即缓变基区 自建电场
对均匀基区，NB为常数，E=Eb=0
NB KT 1 dnb E Eb N B nb q N B nb dx KT 1 dnb E q N B nb dx
dx dN B dx
均匀基区 Eb=0
特大注入（nb >> NB）时： dnb
KT 1 dnb E q nb dx
无论均匀基区或缓变基区，由 大注入载流子浓度决定。
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晶体管功率特性
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大注入基区载流子分布
大注入时基区电子电流密度：
nb d N B nb dnb dnb J nb q n nb E qDn qDn dx N n dx dx B b
2 大注入对电流放大系数的影响
IC I nE 共射低频电流放大系数： 0 I B I pE IVR I SR
式中 IC I nC ICBO I nE IVR ICBO I nE 基区载流子线性分布近似，取平均值：
n0 0 1 nb x n0 2 2
VBC KT
q
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晶体管功率特性
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qDnb 两边积分可求得：x J nB
nb ) Wb 2nb N B ln(1 NB
J nBWb 即基区少子线性分布时发射结边界处基区少子浓度。 取 n0 qDnb
nb 1 N B nb 1 x ln(1 ) 1 移项整理后得： n0 2 n0 N B 2 Wb
β0 β0
复合项 反注入项
两项作用互抵时，得到 β0 的最大值。
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晶体管功率特性
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1 a 1) 求导可得 β0 出现极大值时： vm ( 2 b
v vm 时，复合项起主要作用，β0 随注入增大而上升； v vm 时，反注入项起主要作用，β0随注入增大而下降。
由于：v
b '
1 q pb pb q pb p pb nb 1 1 q pb N B nb
1
1
1 1 小注入时： ' b b nb << ppb q pb p pb nb q pb p pb
大注入时： nb ～ ppb
b '
q pb p pb nb