功率半导体器件原理及设计课件 ch4 功率双极型晶体管25

功率半导体器件Ch4功率双极型晶体管

(PowerBipolarTransistors)电子工程系2025·春功率晶体管封装外形GTR模块功率BJT单管（塑封）功率BJT单管（金属管壳）2达林顿BJT芯片3内容提要§4.1功率晶体管的分类与结构特点§4.2工作原理与I-V特性

§4.3特性分析

§4.4二次击穿与安全工作区(SOA)§4.5碳化硅双极晶体管§4.6应用要求与设计考虑§4.7主要用途与特点43.晶体三极管导通必须同时满足的两个条件：(1)基-射极间加正向电压(UBE>0)，提供基极电流(IB>0);

(2)集-射极间加正向电压(UCE>0V)，即集电结反偏)。4.功率双极晶体管一般采用npn结构双极晶体管基础知识回顾

1.晶体三极管内载流子的运动(动画演示)2.晶体三极管共射输出特性(动画演示)为了提高BJT击穿电压

采用三重扩散结构；为了提高电流均匀性采用多发射区并联结构§4.1功率晶体管的分类与结构特点符号:按用途分：功率放大和功率开关

基本结构：n+pnn+结构按制作工艺分：外延和扩散5杂质分布：特点：1.开关速度快；2.饱和电压低;3.电流增益大。适合功率放大特点：1.击穿电压高；2.饱和压降较高。适合功率开关。三重扩散晶体管n+pnn+结构外延晶体管n+pnn+结构6当E结零偏或反偏、C结反偏时,BJT处于截止模式；当E结正偏、C结反偏时,BJT处于放大模式(功率放大)；当E结和C结均正偏时,BJT处于饱和模式(功率开关)。晶体管是非线性元件，其特性与其工作模式有关：BJT的放大作用表现为：用较小的基极电流可以连续控制较大的集电极电流；或将较小的功率按比例放大为较大的功率。§4.2工作原理及I-V特性共射极电路适合电力电子应用

一、工作模式共射极电路IBIC78截止状态：UCCRCUBBRB共射极电路（UBE=0）IE0发射极无注入IC0集电结反偏,有微小的漏电流流过功率晶体管处于截止状态，集电结承受反向电压IB=0UBE=0UCE>0JcJe外加电压UCC过大,集电结会发生雪崩击穿/穿通BECnn+pn+9开通状态：UBE>0UCE>0共射极电路（UBE>0）IEEB结加正偏,扩散运动形成IE扩散到基区的自由电子与空穴复合形成IBEICBOCB结反偏,漂移运动形成ICEIC=ICE+ICBOIBEICEIB=IBE-ICBO发射极开路时集电结反向饱和电流ICBO电流放大倍数：UCCRCUBBRBBECnn+pn+功率晶体管处于放大状态JcJe10饱和状态：UCE>0共射极电路（UBE>>0）集电极电流达到饱和UCCRCUBBRBBECnn+pn+功率晶体管处于饱和状态由浅深JcJeUBE>>0电导调制效应,基区宽变效应iB↑基区、集电区有非平衡载流子积累11关断状态：共射极电路（UBE<0）功率晶体管又恢复到截止状态，集电结承受反向电压UCCRCUBBRBBECnn+pn+UBE<0UCE>0IB<0IC0IE0状态变化：(1)截止(2)放大(3)浅/深饱和(4)退饱和(5)放大(6)截止JcJe基极抽取少子复合非平衡载流子逐渐消失121）当功率晶体管(BJT)基-射极电压UBE

0(即IB=0)、集-射极加正向电压(即UCE>0、C结反偏)时，功率双极晶体管处于截止状态，此时漏电流很小。当UCE继续增加，大于BJT的雪崩击穿电压UCEO时，功率双极晶体管发生雪崩击穿，此时漏电流急剧增加。2）当UBE>UTE(即IB>0),UCE>0时，发射区向基区注入电子,一部分与基区空穴复合,其余都会扩散到C结,并被C结耗尽区电场扫入集电区形成集电极电流。UBE↑→IB↑→IC↑,功率双极晶体管呈放大状态；随UBE或IB不断增加,从发射区注入到基区的电子增多,并向C区扩展,使C结由反偏→零偏→正偏,功率BJT达到临界饱和状态。当UBE或IB进一步增加,注入电子大量涌入集电区,使得

n=

p>>NC，于是基区和集电区都会发生强烈的电导调制效应，功率双极晶体管处于饱和导通状态，其中流过的电流很大，两端的压降很低。3）当UBE<0(即IB<0)时，导通时注入到基区和集电区的非平衡载流子开始被基极电流抽取,并不断复合,C结由正偏→零偏→反偏，功率BJT由深饱和→浅饱和→放大→截止,功率BJT恢复截止态。

功率双极晶体管的工作原理13状态条件特征截止集-射极加正向电压较小（即0<UCE<UCEO）基-射极加反电压（即UBE<0或IB=0）截止漏电小集-射极加正向电压过大（即UCE>UCEO）（UCEO为IB=0时BJT的雪崩击穿电压

）集电结发生雪崩击穿后电流急增开通集-射极加正向电压（即UCE>0）、

基-射极加正电压（即UBE>UTE或IB>0）

（UTE为发射极的开启电压

）发射区向基区注入载流子、载流子在基区中扩散并进入集电区饱和导通集-射极加正向电压（即UCE>0）

基极电流连续施加（IB>>0）基区和集电区电导调制、基区宽变；IB↑饱和度由浅变深

关断集-射极加正向电压（即UCE>0）

基-射极加负电压（即UBE<0或IB<0）基极反向电流抽取，载流子复合功率晶体管工作条件与状态特征14输出特性放大区特征：当UBE>0,UBC<0时，随IB增加,IC线性增大

BJT呈放大状态饱和区特征：当UBE>0，UBC>0,β和UCE均达到最小值，进入饱和

BJT处于通态。三种工作状态击穿区特征：当UCE

微小变化引起IC很大增加，

BJT击穿状态。放大工作区

开态工作区关态工作区截止区特征：UBE≤0，UBC<0，E结不注入电子，仅有很小的漏电流流过

BJT处于断态。15主要特性参数2.IC

：集电极电流（额定电流）在规定的结温和散热条件下，允许流过的最大集电极电流的平均值。3.UCEsat：集电极-发射极饱和压降指在一定温度下，功率晶体管饱和导通时对应的管压降。1.UCEO：集电极-发射极击穿电压（额定电压）基极开路时，集电极-发射极之间所能重复施加的最高峰值电压，与电流增益有关。4.ton：开通时间指加上正的基极电流到集电极电流上升到其峰值的90%的时间间隔。

指加上负的基极电流到集电极电流下降到其峰值的10%的时间间隔。5.toff：关断时间6.TJM

：最高工作结温在功率晶体管不损坏的前提下，所能承受的最高平均温度。161.功率晶体管的耐压层主要是：A.p基区

B.n集电区

C.n+集电区

2.功率晶体管导通时的状态特征是：A.发生电导调制效应B.发生基区宽变效应C.两者都发生3.功率晶体管的工作模式有：A.截止、放大、饱和B.截止、饱和C.截止、放大4.功率晶体管放大的条件是：发射结反偏(IB=0)、集电结反偏;

发射结正偏(IB>0)、集电结反偏;

C.发射结正偏(IB>0)、集电结正偏。课堂小测验117§4.3特性分析

一、通态特性大注入下基区和集电区发生电导调制效应功率双极型晶体管在导通状态的载流子浓度分布UBE>UTE（IB>0）UCE>00xp(x)对应载流子浓度分布电中性要求集电区浓度p(0)p(wB)wB输出特性

饱和度Q与UCEsat

a)放大IB小,UCE大b)浅饱和IB↑UCE↓c)深饱和限IB↑↑UCE↓↓d)深饱和IB大,UCE小载流子浓度分布基区会发生电导调制效应并扩展基区宽变效应未调制区饱和条件

浅饱和区深饱和区放大区Q↑

toff↑Q↑

UCEsat

载流子浓度分布与I-V特性对应关系18n+pn-n+饱和度Q浅饱和限深饱和限饱和时集电区（调制区）产生的压降为在大注入条件下，假设dp/dx=dn/dx,空穴电流可以忽略，集电区非平衡载流子浓度近似为线性分布，可表示为x=0--发射结所在位置；p(wB)--集电结处的载流子浓度。利用,并代入E(x),则集电极电流表示为19准饱和区时，只有部分集电区被电导调制，调制区压降Un1为

在准饱和区时集电区总压降为

wB—基区宽度变化量；NC—集电区掺杂浓度。未调制部分的压降Un2用欧姆定律求得，UCEsat包括集电区体压降Un(最大)、发射区与基区的体压降及其欧姆接触压降UmEBC、发射结压降UJE及集电极欧姆接触压降UC。功率晶体管的总压降：2021放大区：电流增益hFE

功率晶体管处于放大状态时输出电流与输入电流之比。共射极电流增益：共基极电流增益：w—中性基区的宽度二、击穿特性

功率BJT在截止状态下的电场分布晶体管基极开路时集-射极的击穿电压Enn+Epn22基区较厚时基区较薄时23共射极击穿特性UCEO<UCER<UCES<UCEXUCEO—基极开路UCER—基极-发射极加电阻UCES—基极-发射极间短路UCEX—发射结反偏在基极-发射极间加电阻，会降低发射结压降使注入效率

和

减小，导致击穿电压增加。基极-发射极在正偏和反偏条件下的击穿特性当

npn=0.9时,UCEO=0.63UCBO当

npn=0.99时,UCEO=0.4UCBO

24开通时间ton:由延迟时间td

和上升时间tr

两部分组成，ton=td+tr关断时间toff:由存贮时间ts和下降时间tf两部分组成，toff=ts+tf

三、开关特性功率晶体管的开关损耗功率晶体管开关过程的电流集中现象（currentpinching）在晶体管关断过程中，由于基区存在自偏压效应，使发射极边缘部分被反偏，边缘先关断，中心仍导通，于是出现发射极电流集中现象。在晶体管导通过程中，基区自偏压效应，当晶体管工作在放大区时，会引起发射极电流的集边效应。采用多个小发射区并联结构可提高其电流的均匀性25§4.4二次击穿与安全工作区(SOA)二次击穿需要时间（触发时间）和能量（触发功率）：触发时间：当第一次雪崩击穿后，从电流上升到ISB，再到触发产生二次击穿（A→B→C点）的延迟时间。第一次雪崩击穿后，当加在BJT上的能量超过临界值（触发功率）时，才产生二次击穿，也就是说二次击穿需要能量。触发功率二次击穿实验曲线

负阻特性一.二次击穿特性（IB<0）（IB=0）（IB>0）2627

减小基区横向电阻，可以削弱发射极电流集边和集中效应；采用三重扩散工艺，可以提高掺杂浓度的均匀性；采用叉指形基-射极图形进行优化设计,可以防止热集中；适当增加n集电区厚度或掺杂浓度,控制Enn+,可以防止雪崩击穿。防止和改善二次击穿的措施（从设计和工艺考虑）

二次击穿产生的原因28BJT工作的安全范围由4条曲线限定：①集电极最大允许直流电流线ICM

，由集电极允许承受的最大电流决定；②集电极允许最高电压UCE0，由雪崩击穿决定；③集电极直流功耗线PCM

，由热阻决定；④二次击穿临界线PSB，由二次击穿触发功率决定。二.安全工作区(SOA)

安全工作区(SOA)：由器件极限参数规定的区域。在任何条件下，通过器件的电流和两端的电压都不能工作在极限参数之外，否则就不安全。四个主要参数功率BJT的安全工作区29RBSOA(IB<0)基极关断反向电流正偏和反偏安全工作区（SOA）当脉冲宽度<1s时，可以不考虑最大功耗和二次击穿限制。基极反向电流绝对值越大，反偏安全工作区越窄。可见,RBSOA比FBSOA大得多。在晶体管关断瞬间，对BJT基极驱动电路施加负的基-射极电压，可以有效利用RBSOA。最大集电极电流最大允许功耗雪崩引起二次击穿最大耐压限制SOA与脉冲持续时间有关过热引起二次击穿BUCEXFBSOA(IB>0)1.开关电路：要求：高电压、低损耗，速度快（3

s~30

s）；低压时

选择n+pn-n+外延结构；高压时

选择n+pn-n+扩散结构设计考虑：通过集电区宽度、少子寿命等调节饱和压降与击穿电压、关断时间及二次击穿耐量之间的矛盾。

2.功率放大：要求：大电流、高增益，损耗低设计考虑：芯片纵向耐压结构：PT型

芯片基-射极结构：选择二级或三级达林顿结构封装结构：选择模块结构一.功率晶体管的应用要求§4.5应用要求与设计考虑30镇流电阻条状基极三、基极-发射极图形设计叉指状基极-发射极图形为了实现大电流，要求发射极周长较长；为了扩大SOA，要求有较窄的发射极条宽。通常用多发射区结构，以保证在总发射极周长不变的条件下，每个发射区的条长较短。31321.共射极电流增益值较单管大；2.饱和压降UCEsat较单管高；3.关断速度减慢，频率响应差。

二.达林顿结构

达林顿BJT的特点：

1.达林顿结构DarlingtonConfiguration三级达林顿晶体管结构二级达林顿晶体管等效电路额定电流大于50A时需采用达林顿结构33四、达林顿芯片发射极图形75A-100A/1000V三级复合达林顿GTR发射极图形50A/1200V三级复合达林顿GTR发射极图形33§4.6碳化硅双极晶体管一、4H-SiC

BJT结构

二、4H-SiCBJT的工作原理功率开关：集电区电导调制弱，工作在临界饱和区BJT基极复合效应表面复合、欧姆接触区复合、结面处复合功率放大：电流增益受复合影响与硅BJT结构相同，外延工艺与硅BJT相同：双极作模式4H-SiCBJT结构

343）4H-SiCBJT的特性：高压4H-SiCBJT(Nc=2

1015cm-3

)准饱和区较宽没有考虑集电区的压降低压4H-SiCBJT(Nc=1

1016cm-3)

集电区压降（调制区压降+非调制区压降）大、速度快；不易发生类似于硅功率BJT的动态雪崩和二次击穿。35开关时所需的基极电流信号36作为功率