简单认识功率双极晶体管

传统的双极晶体管是一种电流驱动型放大器，对其信号放大特性的分析以小注入电流为主，即在共发射极工作状态时，输入很小的基极电流就能控制输出端的集电极电流而获得很大的功率增益。功率双极晶体管（Power BJT，中文常简称功率 BJT)的工作原理与传统信号放大用的双极晶体管相同，但在关断状态要能承受高电压，故在p型基区与n⁺集电极之间加上一层较厚的轻掺杂n⁻漂移区来承受高阻断电压。导通时是大电流注入状态，在基区和集电区的大电流注入会使功率双极晶体管的电流增益降低，致使控制电路要提供较大的电流来驱动功率双极晶体管，控制电路的设计会更复杂且成本提高。此外，功率双极晶体管的电流放大率和特征频率都会随着电流的增大而迅速降低。n⁻漂移区因大电阻而增大的通态压降，以及开启和关断过程的存储电荷注入及抽取都使功率双极晶体管产生较高的功耗。虽然达林顿结构 (Darlington Configuration）的多级功率双极晶体管可以提高电流增益，但导通压降会大幅升高而增加功耗。目前功率双极晶体管的阻断电压可达 1.8kV，控制电流已达800A。‍‍‍

npn 功率双极晶体管的结构如图2-66 所示，其中n⁺扩散层为发射区，p扩散层为基区，n⁻外延层为漂移区，n⁺衬底为集电区。与PiN器件中的n⁻漂移区功能类似，功率双极晶体管的耐电压能力由n⁻漂移区的掺杂浓度及厚度决定。在基极注入大电流时，基极电流流过基区电阻会产生压降，导致发射极与基区的n⁺p结中心部分的偏置电压低于边缘区域的偏置电压，所以发射极和集电极的电流密度是不均匀的，靠近基极接触端的发射极边缘有较大的发射极电流密度。这就是发射极电流集边效应 (Emitter Current Crowding)。发射极电流集边效应会使电流增益急剧下降，也影响功率双极晶体管开启及关断过程的功耗。所以如图2-67所示，在功率双极晶体管的布局时，发射极指叉周围都有基极指叉形成对称的指状交叉几何图形 (Interdigitated Finger Geometry），这样既可以降低发射极电流集边效应，同时也可以增强器件的散热能力。

功率双极晶体管在开启瞬间会使集电极电流Iᶜ产生电流过冲 (Current Overshoot)，在关断瞬间会使集电极电压 Uᶜ出现电压过冲，这些过冲现象产生的大电流及大电压会增大功率双极晶体管的功耗，也易发生破坏性器件失效。当功率双极晶体管工作在特性曲线的正向有源区时，电流密度分布不均匀的发射极电流会在发射结上形成局部热起伏；发射结上局部区 域电流密度较高的部分具有较高的温度，致使该区域的pn结自建电势(Built-in Potential)随温度上升而下降，促使更多的电流注入该区而提高耗散功率；再进一步引起局部升温，使发射结上因热正反馈现象而在晶体管内部产生热斑。热斑产生的高温会使 pn结耗尽区的自建电势急剧降低而使集电极短路，功率双极晶体管即进入热型低电压大电流二次击穿状态。在外部电路加上限流保护装置则可使晶体管恢复工作。若无限流保护装置则会因热斑温度快速上升而破坏材料组成及器件结构，导致功率双极晶体管永久损坏。此外，在正偏的高电压及大电流情况下，集电极电流上升会使p基区与，n⁻漂移区间的势垒降低，最大的电场强度就移到n⁻/n⁺结上，并在n⁻/n⁺结附近产生雪崩碰撞电离，功率双极晶体管即进入正偏低电压大电流二次击穿状态，造成器件破坏性失效。

在功率双极晶体管关断瞬间，晶体管处于反偏状态，集电极电流会瞬间被集中在发射极的中心区域，使该区域电流密度增大 10 倍以上。随着集电极电压上升到峰值，就使晶体管处于高电压大电流的反偏状态，此时电场的峰值出现在n⁻漂移区与n⁺衬底交界处，电子即以饱和速度向集电极移动，致使集电结J¹  的电压下降且集电极电流增大，就发生反偏雪崩击穿而使器件损坏。由于这种击穿是因为峰值电场由J² 结区移至n⁻/n⁺结区，致使n⁻/n⁺结的雪崩区向集电区注入空穴而引发的低电压雪崩电离效应，故称为反偏二次击穿。在n⁻漂移区和n⁺衬底之间引入一层掺杂浓度略高的缓冲层可以降低界面的电场强度峰值，或者增大条型发射极边缘区的结深，这样就可避免在低电压时发生雪崩击穿。

功率双极晶体管的技术已十分成熟，但因电流增益较小及输入阻抗较低，故在高电压应用领域，功率双极晶体管已逐渐被性能更好的IGBT 所取代。

　　审核编辑：汤梓红