傳統(tǒng)的雙極晶體管是一種電流驅(qū)動型放大器，對其信號放大特性的分析以小注入電流為主，即在共發(fā)射極工作狀態(tài)時，輸入很小的基極電流就能控制輸出端的集電極電流而獲得很大的功率增益。功率雙極晶體管（Power BJT，中文常簡稱功率 BJT)的工作原理與傳統(tǒng)信號放大用的雙極晶體管相同，但在關(guān)斷狀態(tài)要能承受高電壓，故在p型基區(qū)與n?集電極之間加上一層較厚的輕摻雜n?漂移區(qū)來承受高阻斷電壓。導通時是大電流注入狀態(tài)，在基區(qū)和集電區(qū)的大電流注入會使功率雙極晶體管的電流增益降低，致使控制電路要提供較大的電流來驅(qū)動功率雙極晶體管，控制電路的設(shè)計會更復雜且成本提高。此外，功率雙極晶體管的電流放大率和特征頻率都會隨著電流的增大而迅速降低。n?漂移區(qū)因大電阻而增大的通態(tài)壓降，以及開啟和關(guān)斷過程的存儲電荷注入及抽取都使功率雙極晶體管產(chǎn)生較高的功耗。雖然達林頓結(jié)構(gòu) (Darlington Configuration）的多級功率雙極晶體管可以提高電流增益，但導通壓降會大幅升高而增加功耗。目前功率雙極晶體管的阻斷電壓可達 1.8kV，控制電流已達800A。???

npn 功率雙極晶體管的結(jié)構(gòu)如圖2-66 所示，其中n?擴散層為發(fā)射區(qū)，p擴散層為基區(qū)，n?外延層為漂移區(qū)，n?襯底為集電區(qū)。與PiN器件中的n?漂移區(qū)功能類似，功率雙極晶體管的耐電壓能力由n?漂移區(qū)的摻雜濃度及厚度決定。在基極注入大電流時，基極電流流過基區(qū)電阻會產(chǎn)生壓降，導致發(fā)射極與基區(qū)的n?p結(jié)中心部分的偏置電壓低于邊緣區(qū)域的偏置電壓，所以發(fā)射極和集電極的電流密度是不均勻的，靠近基極接觸端的發(fā)射極邊緣有較大的發(fā)射極電流密度。這就是發(fā)射極電流集邊效應(yīng) (Emitter Current Crowding)。發(fā)射極電流集邊效應(yīng)會使電流增益急劇下降，也影響功率雙極晶體管開啟及關(guān)斷過程的功耗。所以如圖2-67所示，在功率雙極晶體管的布局時，發(fā)射極指叉周圍都有基極指叉形成對稱的指狀交叉幾何圖形 (Interdigitated Finger Geometry），這樣既可以降低發(fā)射極電流集邊效應(yīng)，同時也可以增強器件的散熱能力。

功率雙極晶體管在開啟瞬間會使集電極電流I?產(chǎn)生電流過沖 (CurrentOvershoot)，在關(guān)斷瞬間會使集電極電壓 U?出現(xiàn)電壓過沖，這些過沖現(xiàn)象產(chǎn)生的大電流及大電壓會增大功率雙極晶體管的功耗，也易發(fā)生破壞性器件失效。當功率雙極晶體管工作在特性曲線的正向有源區(qū)時，電流密度分布不均勻的發(fā)射極電流會在發(fā)射結(jié)上形成局部熱起伏；發(fā)射結(jié)上局部區(qū) 域電流密度較高的部分具有較高的溫度，致使該區(qū)域的pn結(jié)自建電勢(Built-in Potential)隨溫度上升而下降，促使更多的電流注入該區(qū)而提高耗散功率；再進一步引起局部升溫，使發(fā)射結(jié)上因熱正反饋現(xiàn)象而在晶體管內(nèi)部產(chǎn)生熱斑。熱斑產(chǎn)生的高溫會使 pn結(jié)耗盡區(qū)的自建電勢急劇降低而使集電極短路，功率雙極晶體管即進入熱型低電壓大電流二次擊穿狀態(tài)。在外部電路加上限流保護裝置則可使晶體管恢復工作。若無限流保護裝置則會因熱斑溫度快速上升而破壞材料組成及器件結(jié)構(gòu)，導致功率雙極晶體管永久損壞。此外，在正偏的高電壓及大電流情況下，集電極電流上升會使p基區(qū)與，n?漂移區(qū)間的勢壘降低，最大的電場強度就移到n?/n?結(jié)上，并在n?/n?結(jié)附近產(chǎn)生雪崩碰撞電離，功率雙極晶體管即進入正偏低電壓大電流二次擊穿狀態(tài)，造成器件破壞性失效。

在功率雙極晶體管關(guān)斷瞬間，晶體管處于反偏狀態(tài)，集電極電流會瞬間被集中在發(fā)射極的中心區(qū)域，使該區(qū)域電流密度增大 10 倍以上。隨著集電極電壓上升到峰值，就使晶體管處于高電壓大電流的反偏狀態(tài)，此時電場的峰值出現(xiàn)在n?漂移區(qū)與n?襯底交界處，電子即以飽和速度向集電極移動，致使集電結(jié)J1的電壓下降且集電極電流增大，就發(fā)生反偏雪崩擊穿而使器件損壞。由于這種擊穿是因為峰值電場由J2結(jié)區(qū)移至n?/n?結(jié)區(qū)，致使n?/n?結(jié)的雪崩區(qū)向集電區(qū)注入空穴而引發(fā)的低電壓雪崩電離效應(yīng)，故稱為反偏二次擊穿。在n?漂移區(qū)和n?襯底之間引入一層摻雜濃度略高的緩沖層可以降低界面的電場強度峰值，或者增大條型發(fā)射極邊緣區(qū)的結(jié)深，這樣就可避免在低電壓時發(fā)生雪崩擊穿。

功率雙極晶體管的技術(shù)已十分成熟，但因電流增益較小及輸入阻抗較低，故在高電壓應(yīng)用領(lǐng)域，功率雙極晶體管已逐漸被性能更好的IGBT 所取代。

審核編輯：湯梓紅