晶体管设计

晶体管设计

大功率晶体管是功率驱动电路的核心元件。大功率晶体管通常工作在极限参数状态下，其主要参数是击穿电压和电流容量。分析了大功率晶体管的工作原理和设计原则，并针对一个具体的大功率晶体管的参数要求，设计了晶体管的纵向和横向结构尺寸，并确定了材料参数和工艺参数。

大功率品体管以其电压高，电流大，功率大的独特优势随着社会的进步得到了不断的拓展。在五十年代，锗合金工艺相对硅成熟，因此锗管成为大功率品体管的先声，在大功率晶体管中占据着主流地位。硅大功率晶体管在1956年问世。从此品种繁多的各种硅功率管大量应用到通讯和雷达设备、发射电路中的功率放大器、倍频器和振荡器等。由于硅材料容易获得且能工作在较高温度具有小的反向电流和高的耐压特性等优点，因而在后期硅的发展速度远远超过锗管。

功率开关管作为各种类型开关电源的主功率开关器件，随着开关电源的日益发展，其应用范围更加广泛。目前，硅大功率晶体管已广泛地应用于:

(1)电源开关、反相器、电机速度控制:

(2)汽车的点火电路，制动电路;

(3)用于广播、电视的高频放大和电子计算机，通信设备的电源装置和各类开关电源等方面。

(4)军事工业和航空航天工业大功率设备。

大功率晶体管以其电压高、电流大、功率大的独特优势在自动化控制系统、

计算机电源系统、交通电气设备、不停电电源装置及各类开关电源、各种变流系统、军事工业及航空航夭工业部门的大功率设备中占有非常重要的地位。即使在集成电路技术和新型电力电子器件迅速发展的今天，普通型大功率晶体管在半导体产业这个大家族中仍占有一席之地，特别是在集成电路所不能胜任的领域(诸如低噪声，高耐压，大电流，大功率和微波性能等方面)发挥愈来愈大的作用。因此，进一步研究、设计、制造大功率晶体管具有重要意义。

大功率晶体管区别于小功率晶体管的最大工作特点就是在大的耗散功率或输出功率条件下工作(即在大电流或高电压)。因此，大功率品体管除了在大电流一下保证足够的放大能力和承受较高的集电极电压外，还必须有良好的散热能力。

2. 1大功率晶体管的大电流效应

从晶体管原理可知，当晶体管在大电流或则高压下工作时，会发生一些不同于小电流工作的效应和现象:基区电导调制效应，基区增宽效应，基极电阻自偏压效应和发射极电流集中现象等。

基区电导调制效应:从晶体管的工作机理可知，晶体管的工作电流越大，则注入到基区的少数载流子就越多。为了保持基区电中性的要求，在基区内需要引入同等数量的多数载流子。这样一来，就会使基区内导电的载流子浓度增加，增大了基区的电导率，也就是说，基区的电导率受到了工作电流的调制。山于基区电导率的增加，将使少子在基区内被复合的几率增加，导致电流放大系数下降。

基区增宽效应:在大的电流密度时，晶体管集电结空间电荷区域内的运动载流一子浓度将大大增加。当集电极电流密度达到或超过某一定值时，由于运动载流子浓度的急剧增加，致使集电结附近的空间电荷出现重新分布的现象一基区一边集电结的电荷密度将大大增加，而集电区一边的集电结空间电荷密度将下降。由

于基区和集电区结附近要求电荷平衡，空间电荷的边界将向运动载流子的迁移方向移动，在发射结位置不变时，集电结的移动将相应的导致晶体管基区宽度增加，从而使电流放大系数下降。

2. 2大功率晶体管的饱和压降

由晶体管的原理可知，饱和压降Uces的表达式:

（2.1）

式中为晶体管反向运用的电流增益(一般为0. 1)，式右边第一项为0. 1 V-0. 3V左右，第二项对饱和压降起主要贡献。

从式2. 1可知，要想降低Uces就必须从减小集电极串联电阻rcs着手。图2-2是

集电极串联电阻示意图，从图中可以看出:

rcs =rc1+rc2+rc3 (2. 2) 要精确地计算rcs是很困难的，下面只是通过大量的近似来粗略估算下，以便从中找出减小rcs的办法。

由于在饱和工作区时，Vbc>0，有空穴注入到发射区下面的外延层中，产生电导调制效应，使rc1下降,在深饱和、大注入时，可使rc1下降很多，以致rc1可以忽

略不计，即饱和时的集电极串联电阻rcs近似为:

(2.3)

C 1) rc2.的计算

因为电流由集电结垂直下来后转角流入埋层，所以取拐角的电阻为1/2的薄层电阻值，因而在计算rc2长度时，可以从发射区接触孔中心到集电极接触孔中

心的长度L,:_。即可，饥.为埋层宽度，Rs一瓜为埋层的方块电阻。

（2.4）

(2) rc3的计算

在进行rc3的计算时，假定其图形是一个上下底为矩形且相互平行的锥体，且作以下的近似:上底、下底各为等位面;锥体内的电流只在垂直方向流动:在上、下面上的电流分布是均匀的。

这样结构的电阻可用下式求得:

（2.5）

式中:P为材料的电阻率;T为锥体的高度:W, L为顶面矩形的宽和长;b为底面矩形与顶面矩形相应的宽和长的比值,平行锥体的厚度T可用下式来近似估算: （2.6）

式中:Tepi为外延层的厚度:X jc为集电极结深.

2. 3大功率晶体管的击穿分析

大功率晶体管击穿包括晶体管的热击穿，雪崩击穿，表面击穿.晶体管的热击穿就是由于管子局部或全部过热而使器件突然损坏的一种现象，这往往是山于晶体管工作温度—参数不稳定性引起的。热击穿通常先在晶体片的局部区域发生的，其原因是晶体管结构和材料的不均匀性。在平行于P-N结方向产生电场梯度，导致电流的局部集中和在晶体片产生温度梯度。由于局部温度增加和散热面积缩小，从而更促使管子温度增加。最后导致管子完全损坏。

为了避免热击穿，则需要改善晶体管的结构，提高晶体管材料的均匀性，

摒除易熔金属或合金，尽量提高结面积上的电流分部的不均匀性，而减少管子内部过热现象的出现。大功率晶体管的设计，即要达到功率容量的要求，又要使管子的温度限制在最高结温以下，则需增强晶体管向外界散发热量的能力。

在晶体管中产生的热量可以通过下述三个方式散发出去:

(I)在集电结产生的热量首先传递至晶片表面，再由晶片表面经电极传至管壳。

（2)通过管壳内部气体的对流，或者通过辐射的方式将热量传递至管壳。

(3)管壳通过辐射或与周围空气的传导，将热量散发至周围空气中。

雪崩击穿即内场击穿，它是由于结的空间电荷内，当运动的载流子大量地通过此空间的电荷区域并碰撞点阵原子，使点阵原子剧烈地电离而产生电子空穴对。他随着空间电场的加大而加剧。杂质浓度梯度a愈大，缓变结的雪崩击穿电压Vb越低，Vb正比于，杂质浓度梯度a不仅与结附近的杂质分布形式有关，且与扩散结的结深Xj:、衬底晶片的杂质浓度N0,分布形式有关，扩散层表面浓度Ns 、有关。表面效应引起的电击穿，归根到底，都是因为晶体表面的不完善性，致使表面电场集中，以致电击穿先于体内发生，或者结表面有沾污现象，引起结的反向电流显著增大和不稳定现象。

表面效应引起的电击穿，归根到底，都是因为晶体表面的不完善性，致使表面电场集中，以致电击穿先于体内发生，或者结表面有沾污现象，引起结的反向电流显著增大和不稳定现象。

表面击穿现象归为以下几点:

(1)在结的表面存在污物或杂质点，直接构成了漏电通道，致使结的耐压降低。