晶体管的热学-二次击穿-开关特性设计考虑

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1、晶体管的热学性质 晶体管的二次击穿和安全工作区 晶体管的开关特性 高频晶体管的设计考虑 晶体管的热学性质 晶体管参数与温度的关系 结温与热阻 热稳定性条件 器件版图结构 1.晶体管参数与温度的关系 反向截止电流与温度的关系 2 1 2 C BO C BO dI Eg I dT k T 室温下上式右端为 10%/ c 由于 ICEO=ICBO/（ 1-a),所以 ICEO与 ICBO有相同的温度关 系 IE及 IC与温度的关系 11 5.4% /EC VBE VBE II C I E T I C T 由于 IE及 IC有较大的正温度系数，双极型晶体管特 别是大功率双极型晶体管的温度稳定性是一个很

2、 严重的问题。 当 IE及 IC不变时， VBE与温度的关系 2/B E G B EEV E q VI m v CT q T 利用 PN结正向电压的这种温度特性，可以制作半导 体结型温度传感器。 与温度的关系 雪崩击穿电压与温度的关系 雪崩击穿电压随温度的增加而缓慢增加。 这是由于温度提高后，载流子与光学波声 子散射的几率增加，使得在相同的电场强 度下，载流子在两次碰撞之间积累的能量 不如低温时候的多。 2. 结温与热阻 J TD TT T T T aP RR 由于集电结是晶体管的主要热源，结温 TJ也指的是集电结的 温度。由于晶体管的工作区域很薄，其中的温度变化不大， 因此 Tj也是晶体管的

3、工作区域的实际温度。对于硅管，最高 允许结温在 150-200度的范围。超过这个范围一方面漏电流 太大，另一方面本征载流子浓度大大增加。 T LRT A 3. 热稳定性条件 T dPcSR d T j IcB Ic T j S为热反馈因子。 S1是不稳定的。由 此可见，防止热击穿最有效的措施是降低热阻。 得到热稳定的条件为： S=B IBS,饱和；若 0IB IBS,放大；若 IB 0,截止 C G C C E SG CS R V R VVI IBSICS/ 则 晶体管的瞬态开关特性： 开关时间：三极管在截止状态和饱和状态之间转换所需的 时间 。 包括： （ 1） 开通时间 ton 从三极管输

4、入开通信号瞬间开始至 iC 上升到 0.9ICS所需的时间 。 （ 2） 关闭时间 toff 从三极管输入关闭信号瞬间开始至 iC 降低到 0.1ICS所需的时间 。 提高开关速度的措施 1.尽量降低集电区少子寿命 背面掺金工艺 ,或者掺铂、进行中子辐射、提高集电 区的掺杂浓度。 2.采用较薄的外延层。 （减薄外延层） 3.集成电路中，采用肖特基钳位二极管来阻止晶体 管进入深饱和，可以从根本上解决储存时间过长 的问题。 由 可知，要提高 M ，应提高 fT ，降低 rbb 和 CTC ， 应采用细线条的多基极条和多发射极条结构。 S 高频晶体管的设计考虑 T bb T C8 fM rC E E

5、 B B B l . 高频晶体管通常是由平面工艺制成的硅 NPN 管。 定义：功率增益与频率平方的乘积称为 高频优值， 记为 M 2 T p m a x bb T C8 fM K f rC 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 ) (2) s ( 因 ，但受工艺水平限制 ) (3) R口 B NB(但使 ， CTC， BVEBO) lr 1 bb sr bb WB(但使 b， ， fT) 要使 CTC，应： (1) AC ( l, s) (2) NC ( 但使 r

6、cs， d) 可见乘积 rbbCTC 与 l 无关而与 s 2 成正比，所以高频晶体管 必须采用细线条。 要使 fT，应使 ec。由于 要使 c，应： 要使 d，应： xdc NC( 但会使 BVCBO , CTC) (1) rcs NC( 但会使 BVCBO , CTC) 集电区厚度 dc AC( 但会使 CTC) (2) CTC AC N C ( 但会使 rcs) 要使 eb，应： (1) reIE(因 ，但受大注入等限制 ) (2) CTE E e qI kTr AE ( l, s ) NB( 但会使 rbb， VA) 要使 b，应： (1) WB( 但会使 rbb， VA，且受工艺限制

7、 ) (2) ( 采用平面工艺 ) 2 dcB e c e b b d c e TE c s TC B m a x 21 1 22 xWr C r C Dv ，故一般情况下应减小 WB 。但当 WB 减小到 b 不再是 ec 的主要部分时，再减小 WB 对继续减小 ec 已作用不大，而对 rbb 的增大作用却不变。同时工艺上的难 度也越来越大。 2 b b b B B 1 ,rW W 而 几个主要矛盾 (1) 对 WB 的要求 (2) 对 NB 的要求 减小 rbb 与减小 eb 及增大 对 NB 有相矛盾的要求。这个 矛盾可通过采用无源基区（即非工作基区）重掺杂来缓解。这 样可以降低 R口 B3 ，从而减小 rbb 中的 rcon 与 rcb ，但不会影响 eb 与 。 减小 d 及 rcs 与减小 CTC 及提高 BVCBO 对 NC 有矛盾的要求。 这个矛盾可以通过在重掺杂的 N+ 衬底上生长一层轻掺杂的 N- 外延层来缓解。外延层厚度与衬底厚度的典型值分别为 10 m 与 200 m 。 (3) 对 NC 的要求 总结以上可知，对高频晶体管结构的基本要求是：浅结、 细线条、无源基区重掺杂、 N+ 衬底上生长 N - 外延层。 除以上主要矛盾外，还存在一些相对次要的其它矛盾，在 进行高频晶体管的设计时需权衡利弊后做折衷考虑。