晶体管的热学二次击穿开关特性设计考虑

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212cbocbodiegidtkt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115.4%/ecvbevbeiicietict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严重的问题。 当ie及ic不变时，vbe与温度的关系2/begbeeveqvimvctq

2、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jtdtttttaprr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。tlrta3. 热稳定性条件td p

3、 csrd t ji cbi ct js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；若饱和；若0ib ibs,放大；若放大；若ib 0,截止截止cgccesgcsrvrvviibs ics/ 则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：时间。包括：（1）开通时间）开通时间ton 从三极管输入开通信号瞬间开始至从三极管输入开通信号瞬间开始至ic上升到上升到0.9ics所需的时间。所需的时间。（2）关闭时间）关闭时间toff 从三极

4、管输入关闭信号瞬间开始至从三极管输入关闭信号瞬间开始至ic降低到降低到0.1ics所需的时间。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。 由由 可知，要提高可知，要提高 m ，应提高，应提高 ft ，降低，降低 rbb 和和 ctc ，应采用细线条的多基极条和多发射极条结构。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高频晶体管的设计考虑tbbtc8fmr ceebbbl

5、. 高频晶体管通常是由平面工艺制成的硅高频晶体管通常是由平面工艺制成的硅 npn 管。管。定义：功率增益与频率平方的乘积称为定义：功率增益与频率平方的乘积称为 高频优值高频优值，记为，记为 m 2tpmaxbbtc8fmkfrc高频优值也称为高频优值也称为 功率增益功率增益-带宽乘积，是晶体管的功率放大能带宽乘积，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。力与频率特性的重要参数综合衡量。 提高提高 m 的各项具体措施及其副作用的各项具体措施及其副作用要使要使 rbb，应：，应：(1) l ( 因因 )(2) s ( 因因 ，但受工艺水平限制，但受工艺水平限制 )(3) r口口b nb

6、(但使但使，ctc，bvebo)lr1bbsr bb wb(但使但使 b， ft)要使要使 ctc，应：，应：(1) ac ( l, s)(2) nc ( 但使但使 rcs， d) 可见乘积可见乘积 rbbctc 与与 l 无关而与无关而与 s 2 成正比，所以高频晶体管成正比，所以高频晶体管必须采用细线条。必须采用细线条。 要使要使 ft，应使，应使 ec。由于。由于 要使要使 c，应：，应：要使要使 d，应：，应：xdc nc( 但会使但会使 bvcbo , ctc) (1) rcs nc( 但会使但会使 bvcbo , ctc) 集电区厚度集电区厚度 dc ac( 但会使但会使 ctc)

7、 (2) ctc ac nc ( 但会使但会使 rcs)要使要使 eb，应：，应： (1) reie(因因 ，但受大注入等限制，但受大注入等限制)(2) cteeeqiktr ae ( l, s ) nb( 但会使但会使 rbb，va)要使要使 b，应：，应： (1) wb( 但会使但会使 rbb，va，且受工艺限制，且受工艺限制) (2) ( 采用平面工艺采用平面工艺 )2dcbecebbdcetecstcbmax21122xwrcr cdv ，故一般情况下应减小，故一般情况下应减小 wb 。但当。但当 wb 减小到减小到 b 不再是不再是 ec 的主要部分时，再减小的主要部分时，再减小 w

8、b 对继续减小对继续减小 ec 已作用不大，而对已作用不大，而对 rbb 的增大作用却不变。同时工艺上的难的增大作用却不变。同时工艺上的难度也越来越大。度也越来越大。2bbbbb1,rww而 几个主要矛盾几个主要矛盾 (1) 对对 wb 的要求的要求 (2) 对对 nb 的要求的要求 减小减小 rbb 与减小与减小 eb 及增大及增大 对对 nb 有相矛盾的要求。这个有相矛盾的要求。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。这样可以降低样可以降低 r口口b3 ，从而减小，从而减小 rbb 中的中的 rcon 与与 rcb ，但不会影响，但不会影响 eb 与与 。 减小减小 d 及及 rcs 与减小与减小 ctc 及提高及提高 bvcbo 对对 nc 有矛盾的要求。有矛盾的要求。这个矛盾可以通过在重掺杂的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 与与 200 m 。 (3) 对对 nc 的要求的要求 总结以上可知，对高频晶体管结构的基本要求是：浅结、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