功率半導體器件Ch4功率雙極型晶體管

(PowerBipolarTransistors)電子工程系2025·春功率晶體管封裝外形GTR模塊功率BJT單管（塑封）功率BJT單管（金屬管殼）2達林頓BJT芯片3內容提要§4.1功率晶體管的分類與結構特點§4.2工作原理與I-V特性

§4.3特性分析

§4.4二次擊穿與安全工作區(qū)(SOA)§4.5碳化硅雙極晶體管§4.6應用要求與設計考慮§4.7主要用途與特點43.晶體三極管導通必須同時滿足的兩個條件：(1)基-射極間加正向電壓(UBE>0)，提供基極電流(IB>0);

(2)集-射極間加正向電壓(UCE>0V)，即集電結反偏)。4.功率雙極晶體管一般采用npn結構雙極晶體管基礎知識回顧

1.晶體三極管內載流子的運動(動畫演示)2.晶體三極管共射輸出特性(動畫演示)為了提高BJT擊穿電壓

采用三重擴散結構；為了提高電流均勻性采用多發(fā)射區(qū)并聯結構§4.1功率晶體管的分類與結構特點符號:按用途分：功率放大和功率開關

基本結構：n+pnn+結構按制作工藝分：外延和擴散5雜質分布：特點：1.開關速度快；2.飽和電壓低;3.電流增益大。適合功率放大特點：1.擊穿電壓高；2.飽和壓降較高。適合功率開關。三重擴散晶體管n+pnn+結構外延晶體管n+pnn+結構6當E結零偏或反偏、C結反偏時,BJT處于截止模式；當E結正偏、C結反偏時,BJT處于放大模式(功率放大)；當E結和C結均正偏時,BJT處于飽和模式(功率開關)。晶體管是非線性元件，其特性與其工作模式有關：BJT的放大作用表現為：用較小的基極電流可以連續(xù)控制較大的集電極電流；或將較小的功率按比例放大為較大的功率?！?.2工作原理及I-V特性共射極電路適合電力電子應用

一、工作模式共射極電路IBIC78截止狀態(tài)：UCCRCUBBRB共射極電路（UBE=0）IE0發(fā)射極無注入IC0集電結反偏,有微小的漏電流流過功率晶體管處于截止狀態(tài)，集電結承受反向電壓IB=0UBE=0UCE>0JcJe外加電壓UCC過大,集電結會發(fā)生雪崩擊穿/穿通BECnn+pn+9開通狀態(tài)：UBE>0UCE>0共射極電路（UBE>0）IEEB結加正偏,擴散運動形成IE擴散到基區(qū)的自由電子與空穴復合形成IBEICBOCB結反偏,漂移運動形成ICEIC=ICE+ICBOIBEICEIB=IBE-ICBO發(fā)射極開路時集電結反向飽和電流ICBO電流放大倍數：UCCRCUBBRBBECnn+pn+功率晶體管處于放大狀態(tài)JcJe10飽和狀態(tài)：UCE>0共射極電路（UBE>>0）集電極電流達到飽和UCCRCUBBRBBECnn+pn+功率晶體管處于飽和狀態(tài)由淺深JcJeUBE>>0電導調制效應,基區(qū)寬變效應iB↑基區(qū)、集電區(qū)有非平衡載流子積累11關斷狀態(tài)：共射極電路（UBE<0）功率晶體管又恢復到截止狀態(tài)，集電結承受反向電壓UCCRCUBBRBBECnn+pn+UBE<0UCE>0IB<0IC0IE0狀態(tài)變化：(1)截止(2)放大(3)淺/深飽和(4)退飽和(5)放大(6)截止JcJe基極抽取少子復合非平衡載流子逐漸消失121）當功率晶體管(BJT)基-射極電壓UBE

0(即IB=0)、集-射極加正向電壓(即UCE>0、C結反偏)時，功率雙極晶體管處于截止狀態(tài)，此時漏電流很小。當UCE繼續(xù)增加，大于BJT的雪崩擊穿電壓UCEO時，功率雙極晶體管發(fā)生雪崩擊穿，此時漏電流急劇增加。2）當UBE>UTE(即IB>0),UCE>0時，發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子,一部分與基區(qū)空穴復合,其余都會擴散到C結,并被C結耗盡區(qū)電場掃入集電區(qū)形成集電極電流。UBE↑→IB↑→IC↑,功率雙極晶體管呈放大狀態(tài)；隨UBE或IB不斷增加,從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子增多,并向C區(qū)擴展,使C結由反偏→零偏→正偏,功率BJT達到臨界飽和狀態(tài)。當UBE或IB進一步增加,注入電子大量涌入集電區(qū),使得

n=

p>>NC，于是基區(qū)和集電區(qū)都會發(fā)生強烈的電導調制效應，功率雙極晶體管處于飽和導通狀態(tài)，其中流過的電流很大，兩端的壓降很低。3）當UBE<0(即IB<0)時，導通時注入到基區(qū)和集電區(qū)的非平衡載流子開始被基極電流抽取,并不斷復合,C結由正偏→零偏→反偏，功率BJT由深飽和→淺飽和→放大→截止,功率BJT恢復截止態(tài)。

功率雙極晶體管的工作原理13狀態(tài)條件特征截止集-射極加正向電壓較?。?<UCE<UCEO）基-射極加反電壓（即UBE<0或IB=0）截止漏電小集-射極加正向電壓過大（即UCE>UCEO）（UCEO為IB=0時BJT的雪崩擊穿電壓

）集電結發(fā)生雪崩擊穿后電流急增開通集-射極加正向電壓（即UCE>0）、

基-射極加正電壓（即UBE>UTE或IB>0）

（UTE為發(fā)射極的開啟電壓

）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入載流子、載流子在基區(qū)中擴散并進入集電區(qū)飽和導通集-射極加正向電壓（即UCE>0）

基極電流連續(xù)施加（IB>>0）基區(qū)和集電區(qū)電導調制、基區(qū)寬變；IB↑飽和度由淺變深

關斷集-射極加正向電壓（即UCE>0）

基-射極加負電壓（即UBE<0或IB<0）基極反向電流抽取，載流子復合功率晶體管工作條件與狀態(tài)特征14輸出特性放大區(qū)特征：當UBE>0,UBC<0時，隨IB增加,IC線性增大

BJT呈放大狀態(tài)飽和區(qū)特征：當UBE>0，UBC>0,β和UCE均達到最小值，進入飽和

BJT處于通態(tài)。三種工作狀態(tài)擊穿區(qū)特征：當UCE

微小變化引起IC很大增加，

BJT擊穿狀態(tài)。放大工作區(qū)

開態(tài)工作區(qū)關態(tài)工作區(qū)截止區(qū)特征：UBE≤0，UBC<0，E結不注入電子，僅有很小的漏電流流過

BJT處于斷態(tài)。15主要特性參數2.IC

：集電極電流（額定電流）在規(guī)定的結溫和散熱條件下，允許流過的最大集電極電流的平均值。3.UCEsat：集電極-發(fā)射極飽和壓降指在一定溫度下，功率晶體管飽和導通時對應的管壓降。1.UCEO：集電極-發(fā)射極擊穿電壓（額定電壓）基極開路時，集電極-發(fā)射極之間所能重復施加的最高峰值電壓，與電流增益有關。4.ton：開通時間指加上正的基極電流到集電極電流上升到其峰值的90%的時間間隔。

指加上負的基極電流到集電極電流下降到其峰值的10%的時間間隔。5.toff：關斷時間6.TJM

：最高工作結溫在功率晶體管不損壞的前提下，所能承受的最高平均溫度。161.功率晶體管的耐壓層主要是：A.p基區(qū)

B.n集電區(qū)

C.n+集電區(qū)

2.功率晶體管導通時的狀態(tài)特征是：A.發(fā)生電導調制效應B.發(fā)生基區(qū)寬變效應C.兩者都發(fā)生3.功率晶體管的工作模式有：A.截止、放大、飽和B.截止、飽和C.截止、放大4.功率晶體管放大的條件是：發(fā)射結反偏(IB=0)、集電結反偏;

發(fā)射結正偏(IB>0)、集電結反偏;

C.發(fā)射結正偏(IB>0)、集電結正偏。課堂小測驗117§4.3特性分析

一、通態(tài)特性大注入下基區(qū)和集電區(qū)發(fā)生電導調制效應功率雙極型晶體管在導通狀態(tài)的載流子濃度分布UBE>UTE（IB>0）UCE>00xp(x)對應載流子濃度分布電中性要求集電區(qū)濃度p(0)p(wB)wB輸出特性

飽和度Q與UCEsat

a)放大IB小,UCE大b)淺飽和IB↑UCE↓c)深飽和限IB↑↑UCE↓↓d)深飽和IB大,UCE小載流子濃度分布基區(qū)會發(fā)生電導調制效應并擴展基區(qū)寬變效應未調制區(qū)飽和條件

淺飽和區(qū)深飽和區(qū)放大區(qū)Q↑

toff↑Q↑

UCEsat

載流子濃度分布與I-V特性對應關系18n+pn-n+飽和度Q淺飽和限深飽和限飽和時集電區(qū)（調制區(qū)）產生的壓降為在大注入條件下，假設dp/dx=dn/dx,空穴電流可以忽略，集電區(qū)非平衡載流子濃度近似為線性分布，可表示為x=0--發(fā)射結所在位置；p(wB)--集電結處的載流子濃度。利用,并代入E(x),則集電極電流表示為19準飽和區(qū)時，只有部分集電區(qū)被電導調制，調制區(qū)壓降Un1為

在準飽和區(qū)時集電區(qū)總壓降為

wB—基區(qū)寬度變化量；NC—集電區(qū)摻雜濃度。未調制部分的壓降Un2用歐姆定律求得，UCEsat包括集電區(qū)體壓降Un(最大)、發(fā)射區(qū)與基區(qū)的體壓降及其歐姆接觸壓降UmEBC、發(fā)射結壓降UJE及集電極歐姆接觸壓降UC。功率晶體管的總壓降：2021放大區(qū)：電流增益hFE

功率晶體管處于放大狀態(tài)時輸出電流與輸入電流之比。共射極電流增益：共基極電流增益：w—中性基區(qū)的寬度二、擊穿特性

功率BJT在截止狀態(tài)下的電場分布晶體管基極開路時集-射極的擊穿電壓Enn+Epn22基區(qū)較厚時基區(qū)較薄時23共射極擊穿特性UCEO<UCER<UCES<UCEXUCEO—基極開路UCER—基極-發(fā)射極加電阻UCES—基極-發(fā)射極間短路UCEX—發(fā)射結反偏在基極-發(fā)射極間加電阻，會降低發(fā)射結壓降使注入效率

和

減小，導致擊穿電壓增加?；鶚O-發(fā)射極在正偏和反偏條件下的擊穿特性當

npn=0.9時,UCEO=0.63UCBO當

npn=0.99時,UCEO=0.4UCBO

24開通時間ton:由延遲時間td

和上升時間tr

兩部分組成，ton=td+tr關斷時間toff:由存貯時間ts和下降時間tf兩部分組成，toff=ts+tf

三、開關特性功率晶體管的開關損耗功率晶體管開關過程的電流集中現象（currentpinching）在晶體管關斷過程中，由于基區(qū)存在自偏壓效應，使發(fā)射極邊緣部分被反偏，邊緣先關斷，中心仍導通，于是出現發(fā)射極電流集中現象。在晶體管導通過程中，基區(qū)自偏壓效應，當晶體管工作在放大區(qū)時，會引起發(fā)射極電流的集邊效應。采用多個小發(fā)射區(qū)并聯結構可提高其電流的均勻性25§4.4二次擊穿與安全工作區(qū)(SOA)二次擊穿需要時間（觸發(fā)時間）和能量（觸發(fā)功率）：觸發(fā)時間：當第一次雪崩擊穿后，從電流上升到ISB，再到觸發(fā)產生二次擊穿（A→B→C點）的延遲時間。第一次雪崩擊穿后，當加在BJT上的能量超過臨界值（觸發(fā)功率）時，才產生二次擊穿，也就是說二次擊穿需要能量。觸發(fā)功率二次擊穿實驗曲線

負阻特性一.二次擊穿特性（IB<0）（IB=0）（IB>0）2627

減小基區(qū)橫向電阻，可以削弱發(fā)射極電流集邊和集中效應；采用三重擴散工藝，可以提高摻雜濃度的均勻性；采用叉指形基-射極圖形進行優(yōu)化設計,可以防止熱集中；適當增加n集電區(qū)厚度或摻雜濃度,控制Enn+,可以防止雪崩擊穿。防止和改善二次擊穿的措施（從設計和工藝考慮）

二次擊穿產生的原因28BJT工作的安全范圍由4條曲線限定：①集電極最大允許直流電流線ICM

，由集電極允許承受的最大電流決定；②集電極允許最高電壓UCE0，由雪崩擊穿決定；③集電極直流功耗線PCM

，由熱阻決定；④二次擊穿臨界線PSB，由二次擊穿觸發(fā)功率決定。二.安全工作區(qū)(SOA)

安全工作區(qū)(SOA)：由器件極限參數規(guī)定的區(qū)域。在任何條件下，通過器件的電流和兩端的電壓都不能工作在極限參數之外，否則就不安全。四個主要參數功率BJT的安全工作區(qū)29RBSOA(IB<0)基極關斷反向電流正偏和反偏安全工作區(qū)（SOA）當脈沖寬度<1s時，可以不考慮最大功耗和二次擊穿限制?；鶚O反向電流絕對值越大，反偏安全工作區(qū)越窄?？梢?RBSOA比FBSOA大得多。在晶體管關斷瞬間，對BJT基極驅動電路施加負的基-射極電壓，可以有效利用RBSOA。最大集電極電流最大允許功耗雪崩引起二次擊穿最大耐壓限制SOA與脈沖持續(xù)時間有關過熱引起二次擊穿BUCEXFBSOA(IB>0)1.開關電路：要求：高電壓、低損耗，速度快（3

s~30

s）；低壓時

選擇n+pn-n+外延結構；高壓時

選擇n+pn-n+擴散結構設計考慮：通過集電區(qū)寬度、少子壽命等調節(jié)飽和壓降與擊穿電壓、關斷時間及二次擊穿耐量之間的矛盾。

2.功率放大：要求：大電流、高增益，損耗低設計考慮：芯片縱向耐壓結構：PT型

芯片基-射極結構：選擇二級或三級達林頓結構封裝結構：選擇模塊結構一.功率晶體管的應用要求§4.5應用要求與設計考慮30鎮(zhèn)流電阻條狀基極三、基極-發(fā)射極圖形設計叉指狀基極-發(fā)射極圖形為了實現大電流，要求發(fā)射極周長較長；為了擴大SOA，要求有較窄的發(fā)射極條寬。通常用多發(fā)射區(qū)結構，以保證在總發(fā)射極周長不變的條件下，每個發(fā)射區(qū)的條長較短。31321.共射極電流增益值較單管大；2.飽和壓降UCEsat較單管高；3.關斷速度減慢，頻率響應差。

二.達林頓結構

達林頓BJT的特點：

1.達林頓結構DarlingtonConfiguration三級達林頓晶體管結構二級達林頓晶體管等效電路額定電流大于50A時需采用達林頓結構33四、達林頓芯片發(fā)射極圖形75A-100A/1000V三級復合達林頓GTR發(fā)射極圖形50A/1200V三級復合達林頓GTR發(fā)射極圖形33§4.6碳化硅雙極晶體管一、4H-SiC

BJT結構

二、4H-SiCBJT的工作原理功率開關：集電區(qū)電導調制弱，工作在臨界飽和區(qū)BJT基極復合效應表面復合、歐姆接觸區(qū)復合、結面處復合功率放大：電流增益受復合影響與硅BJT結構相同，外延工藝與硅BJT相同：雙極作模式4H-SiCBJT結構

343）4H-SiCBJT的特性：高壓4H-SiCBJT(Nc=2

1015cm-3

)準飽和區(qū)較寬沒有考慮集電區(qū)的壓降低壓4H-SiCBJT(Nc=1

1016cm-3)

集電區(qū)壓降（調制區(qū)壓降+非調制區(qū)壓降）大、速度快；不易發(fā)生類似于硅功率BJT的動態(tài)雪崩和二次擊穿。35開關時所需的基極電流信號36作為功率