功率NPN双极型晶体管

4. 十字形发射极晶体管
十字形发射极晶体管是宽发射区窄接 触孔结构的一次革命性发展，这种改 进试图增加更多的发射极限流，同时 不会使器件易于发生二次击穿。 十字形发射极的宽度增加以达到更大 的限流；接触孔也被替换为一系列占 据十字交叉中心位置的小的方形或圆 形接触孔。所有发射极电流必须流经 接触孔，这样的分布限流比宽发射区 窄接触孔的分布限流效果好。 虽然十字形发射极的抗二次击穿能力 不如宽发射区窄接触孔的好，但是十 字形发射极晶体管的面积利用率极高。
BE
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当一支晶体管中的发射极电流密度超 过一定的临界值J时，就会发生二次 击穿。超过该临界值之后，维持的集 电极-发射极的击穿电压V 会回落 到一个新的更低的值上，这个值被称 为二次击穿电压 VＣＥＯ 2 ，如果集电极发射极电压超过 VＣＥＯ 2 ，而发射极电 流密度超过J，那么就会发生二次击 穿。 二次击穿对晶体管具有一定的毁坏作 用，在二次击穿状态下停留一定时间 后，会使器件特性恶化或失效。
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2、热击穿和二次击穿
热击穿和二次击穿都是由于流过晶体管某一部分的电流过 大造成的。对于热击穿而言，电流集中同温度升高密切相 关。如果功率晶体管的某一部分比其他部分的温度略高一 点，那么需要维持同样电流密度的 V 就会降低2mV/℃ ∂V V - (4 + m)V - Eg q （ ∂T = ， V 与温度负相关 ），因此 T 很小的温度变化就会导致明显的发射极去偏置。几乎全部 电流都会流过晶体管温度最高的部分，从而进一步升高这 里的温度。只需要几毫秒的时间，导通区域就会收缩为一 个只占晶体管很小一部分面积的微小热点，可能引起管子 失效。 由于热击穿涉及发射极去偏置，因此限流电阻可以起到一 定的保护作用。
L E S BE 0
IE * R S ） xdx * 0 WL 1 I *RS L = x2 * E |0 2 WL I *RS *L = E 2W = ∫（
L
L RS * L IE W ） x】dx ∆VBE = ∫ 【（ * * 0 L L L I *R S = ∫（ E ） xdx * 0 WL I * RS L 1 = x2 * E |0 2 WL IE * R S * L = 2W
其工作原理为：如果某指状 发射区电流试图抽取超过其 正常份额的电流，那么其限 流电阻上的压降就会增大， 从而会限制流过这个指状发 射极的电流大小。受到限流 的发射极间的电压主要降落 在限流电阻而不是晶体管的 发射极上。 R ～R 起到负反馈的作用。
B1 B4
② 指内去偏置
在单个指状发射区内也会产生发射极去偏置现象。随着电流沿发射指流动，压降 增加，指的一端会有更大的发射结电压，因此比另一端传导的电流更多。沿长发 射指的去偏置实际上比各指之间的去偏置更为严重。对于上图中的窄发射指，从 一端到另一端的压降不应超过5mV。假设宽度恒定的发射极连线通过发射指，而 且沿连线长度方向每一部分流入发射极连线的电流相等，那么从连线一端到另一 L 端的总压降可以表示为 R * I W ） x 】 dx ∆ V = ∫ 【（ * * L L
减小去偏置的措施
上面的例子展示了发射极去偏置的严 重程度——相对较小的电流流过短而 宽的连线产生了3.6mV的去偏置。一 种称为发射极限流的技术可以大大减 小去偏置的影响。这种方法要求在每 个发射极连线中插入电阻（如左图）， 这些电阻的大小要求在额定电流下压 降为50~75mV。例如，每个导通 50mA电流的指状发射极可采用1 的 限流电阻，这些电阻加入电路之后将 促使发射极电流在每个指状发射极之 间重新平均分配。
1、发射极去偏置
发射极去偏置是指功率双极型晶体管中可能发生的 不均匀的电流分布，这是由于外基区、发射区及各自 连线上的电压降引起的。双极型晶体管的高跨导 （ g = ∆I / ∆U ， ∆I = g * ∆U ）使得这些器件对于发射结偏压 的变化非常敏感。基极或发射极引线上很小的压降就 会从根本上导致流过晶体管的电流重新分布，因此晶 体管的某些部分可能只有很少的或者没有电流通过， 而其它部分却要承载超过设计额定值的电流。晶体管 的这些过载部分很容易发生热击穿和二次击穿。
在大注入的情况下，通过集电极 的电流密度增加，耗尽区中的载 流子密度也会增加，从集电结流 过的电子会使PN结两侧出现负电 荷积累的情况，该负电荷加上受 主杂质所带的负电荷，导致Xmb 减小；反之，负电荷抵消了施主 杂质的正电荷，导致增大。因为 Xmb的减小导致了基区宽度增大。
二、功率晶体管的版图
三、总结
① ②
③
④
每种晶体管的版图都有各自的优缺点： 圣诞树结构：最适合做线性器件，从而不会经历快速的变换。 叉指状发射极：具有最快的开关速度和最好的频率响应，但是它要求 每个叉指具有独立的限流电阻以避免热击穿。 宽发射区窄接触孔：开关特性优越，在集成电路通常的工作电压 （10V~40V）下几乎不会发生二次击穿。 十字形发射极：开关特性优越，不易二次击穿。
2.
宽发射区窄接触孔晶体管
叉指状发射极晶体管采用相对较窄的 发射极叉指来减小基区电阻并控制发 射极电流集边。 如果每个发射极叉指被划分成大量的 独立的限流部分，那么叉指各处接触 相同的电流。在版图中，要达到这一 目的，我们可以通过把窄基区接触孔 放在宽发射极叉指内的方法来实现。 发射极电阻在发射区的边缘最大，在 窄基区接触孔正下方的中心处最小， 与此相反，基极电阻在边缘最小，在 接触孔正下方的中心处最大，这两种 形式的限流电阻形成互补。
叉指状发射区
宽发射区窄接触孔
圣诞树形器件
十字形晶体管
热击穿
好
好
极好
极好
二次击穿
较好
极好
较差
好
频率响应
极好
好
较好
较好
版图的紧凑度
较差
好
好
极好
功率NPN双极型晶体管
主要内容
一、NPN功率晶体管的失效机理 1、发射极去偏置 2、热击穿和二次击穿 3、基区扩展效应 二、功率NPN晶体管的版图 1、叉指状发射极晶体管 2、宽发射区窄接触孔晶体管 3、圣诞树结构器件 4、十字形发射极晶体管 三、总结
一、NPN功率晶体管的失效机理
困扰功率双极型晶体管设计的3个最主要的问题是：发射极 去偏置、热击穿和二次击穿。这3个问题都是由功率晶体管 中典型的高电流和高功耗所引起的。这些机制在小信号晶体 管中不会引起问题，但是却对功率晶体管的设计造成了很大 的限制。
这个公式中， R S 代表金 属的方块电阻值，W代表 发射极连线的宽度，L代 I 表发射区接触的长度，E 代表流过全部发射指的总 电流。由于发射指流进与 流出的电流并不相等，所 以算压降的时候必须要用 积分的方法。
减小指内去偏置
由上式得，发射指可以做得更短更宽，可以 减小指内去偏置的影响。 还有一种方法：晶体管可以采用更短更多的 发射指，但宽度不变。
当在大电流情况下，电流从基区流入 发射区，产生一定的压降，当达到导 通压降的时候，电流就向外朝着发射 极的边缘流动，然后要经过发射极电 阻，产生一个大的压降，因此发射极 的电压不再比基极的电压高，就不会 再有向着发射极边缘流动的电流。 二者结合之后，基极一侧和发射极一 侧的分布式限流确保了导通相对均匀 地出现在整个发射极叉指宽度方向。 这种类型的发射极限流沿发射极叉指 长度方向分布，因此能够保护器件所 有部分不会产生发射极去偏置和形成 热点，有较强的抗二次击穿能力。
存在的问题
但是这种结构存在一个问题：极易受到指内去偏置的影响。大量短发射指结构要 优于少量长发射指结构。发射指的宽度同样会影响晶体管的性能。 加宽发射指会加宽其下的埋层基区电阻，基区电阻的增加会引起晶体管开关速度 的变慢，并且加强发射极电流聚集（集边效应）。 最快和最稳定的设计采用最小宽度发射指，但是这样就很容易出现发射极去偏置。 沿每个发射指任意一侧的基区接触降低了基极电阻，提高了开关速度。基区接触 设置在发射极阵列的任意一端以确保端部叉指的关断速度与其他叉指一样。如果 忽略这些端部接触会导致速度变慢，从而引起关断期间发生发射极电流聚集和二 次击穿。
抗击穿能力：在小电流下，发射 区所有部分导通，随着电流增大， 发射极的集边效应使得导通向边 缘聚集，引起电流流过发射区结 构内部的限流电阻。这种器件就 是通过大量的分布式限流获得抗 热击穿的能力。 容易发生发射极电流聚集：当晶 体管开始关断时，导通区域从边 缘退回到中央骨干。因为骨干的 面积只占整个发射区面积很小的 一部分，所以在关断的最后阶段 发射极电流密度急剧增加。这样 的电流集中能够（而且经常会） 引发二次击穿。
宽发射区窄接触孔结构相当稳定。分布式发射极限 流有助于防止单个叉指内部的热击穿和二次击穿， 而且同其他叉指结构相比，允许器件工作在更大的 电流密度下。这种结构的开关速度虽比不上叉指状 发射极晶体管，但是退化也没有预期的大，因为大 电流导通主要沿发射极边缘出现。
3. 圣诞树结构器件
另一个典型功率晶体管的版图结构被形象地称为圣 诞树器件，因为它的发射区形状独特。历史上，这 种结构被广泛地用于线性应用中，这是因为它对于 热击穿有着异常的抵抗力。因为改善抗热击穿的特 征同时会降低其承受关断时发射极电流聚集的能力， 所以这种器件很少被用作开关器件。
C E
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① 指间去偏置
如图，这是功率晶体管各指状发射区间产 生的发射极去偏置的实例。在对应的电路 图中，晶体管Q1~Q4分别代表4个发射极， 电阻R1、R2、R3分别代表将各发射极连接 在一起的金属连线电阻。假设每个发射极 流过50mA的电流，每个电阻由方块阻值为 12m /■的铝线构成。3个电阻上的总压降 为3.6mV。用 ∆VBE表示两晶体管间发射结电 压差，则发射极电流比为 ， ∆ V BE / V T 所以最左边与最右边的发射极电流比为 η =e 1.15，因此最右边的发射极Q4比最左边的 Q1多导通15%的电流。由于 ， R = ρ *l / S 所以对于更薄的金属化系统，各发射极连 接在一起的金属连线电阻就越大，产生的 压降也就变大，导致发射极电流比变大， 去偏置问题也就越严重。
近些年来，人们已经提出多种ＮＰＮ功率晶 体管版图方案。任何一种版图结构都有各自 的优点和缺点，因此不同类型的版图知识有 助于设计者针对特定的应用选择最佳的方案。 任何版图都可以通过加入或取消发射区部分 或者将几个功率器件并联来进行缩放。
1. 叉指状发射极晶体管
叉指状发射极晶体管是最早的功 率晶体管类型，之所以沿用至今 是因为它拥有双极型晶体管任何 其它类型版图都无法达到的高速。 如图所示，该晶体管由数个发射 区组成，每一个都有专为自身设 计的发射区限流电阻。限流电阻 都是由设置在独立隔离岛中的单 条发射区扩散形成的。每个发射 指连接两个并排放置的限流电阻。
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3、Kirk效应（基区扩展效应）
当电流很大的时候，晶体管的有效基 区宽度将随注入电流的增加而扩展， 即出现基区扩展效应，也称kirk（克 而克）效应。 在小注入情况下，N区的多子为电子， P区的多子为空穴，由于扩散和复合 的作用，导致P区与N区的交界面的载 流子浓度骤减，形成了由不能移动的 杂质离子构成的空间电荷区；同时建 立了内建电场，方向由N区指向P区， 起先内电场较小，扩散运动较强，随 着空间电荷区的增宽，内电场变大， 漂移运动逐渐增强，最终达到动态平 衡。耗尽区向基区延伸了Xmb的距离， 向集电区延伸了Xmc的距离。
缺点：1、发射区接触孔的面积小，使得其易受电子迁移的影响。 所有发射极电流都必须通过接触孔的侧壁，这将引起金属层内电 流的高度集中，极易产生电迁移。有些设计师采用最小接触孔阵列代 替每个十字交叉中心的单个接触孔以增加侧壁周长。 2、在大功率下造成热量高度集中 十字形发射极这种设计比较紧凑，面积利用率高，但是在大功率 的情况下会造成热量高度集中。