功率NPN双极型晶体管

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。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（，）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。ECU/IgECU*gI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12mΩ/■的铝线构成。3个电阻上的总压降为3.6mV。用表示两晶体管间发射结电压差，则发射极电流比为，所以最左边与最右边的发射极电流比为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，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。BEVTBEV/VeS/l*R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1Ω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。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。～起到负反馈的作用。1BR4BR②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端的总压降可以表示为W2L*R*I|WLR*I*x21xdx*WLR*Idxx*LWL*R*LIVSEL0SE2L0SESL0EBE）（】）【（W2L*R*I|WLR*I*x21xdx*WLR*Idxx*LWL*R*LIVSEL0SE2L0SESL0EBE）（】）【（这个公式中，代表金属的方块电阻值，W代表发射极连线的宽度，L代表发射区接触的长度，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。SREI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。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就会降低2mV/℃（，与温度负相关），因此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。BEVTqEg-m)V(4-VTVTBEBEBEV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，如果集电极-发射极电压超过，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。ＣＥＯV2VＣＥＯ2VＣＥＯ3、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。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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。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。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。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。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。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。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。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。三、总结每种晶体管的版图都有各自的优缺点：①圣诞树结构：最适合做线性器件，从而不会经历快速的变换。②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。③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。④十字形发射极：开关特性优越，不易二次击穿。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