如何提高大功率开关晶体管二次击穿容量

1. 引言

半导体器件的二次击穿是一种电压的瞬时跌落、电流突然上升的破坏物理现象（如图1-1所示），自1957年人们发现了晶体管的二次击穿现象以来，各国学者为了探讨产生二次击穿的机理进行了大量的实验和理论分析工作，取得了很多成果。但到目前为止，还没有一种公认的理论能够完美的解释晶体管二次击穿的机理。总结各国学者的研究成果，大家公认热不稳定性理论和雪崩注入理论是两种独立的导致二次击穿的机理。

图1-1 正偏三极管二次击穿特性

热不稳定性理论认为，当晶体三极管的发射结处于正向偏置时，由于基区存在横向电阻，当基极电流流动时产生基极电阻自偏压效应迫使发射极电流集中在发射结边缘流动，或者是材料、生产工艺造成的不均匀性引起发射极电流集中在发射结边缘流动。电流集中会导致芯片温度升高，温度的升高又导致电流的进一步集中，形成电流、温度的恶性循环而导致出现二次击穿的产生。WWw.11665.cOm

雪崩注入理论认为当载流子有效密度大于势垒

空间固定电荷密度的百分之几时，结区电场将受到严重干扰而达到雪崩倍增临界强度，从而会诱发二次击穿。由于功率开关晶体管采用的外延层比较薄、外延层电阻率较高，增加集电极偏压很容易导致集电结空间电荷区延伸到整个外延层，使结区电场剧烈增长，再加上基区电阻自偏压效应，很容易导致二次击穿的产生。

如果晶体管的使用电路中没有保护电路，发生二次击穿后电流将继续增大，从而造成大功率晶体管的永久性损坏。

2. 改善正偏二次击穿的措施

版图设计上提高硅双极型大功率开关晶体管正偏二次击穿功率容量常用的措施是在发射极或基极串联镇流电阻（金属膜电阻或多晶硅电阻，不增加芯片面积），其思想是：利用镇流电阻作负反馈，来限制发射区出现电流、温度的恶性循环状态，从而提高晶体管的二次击穿功率容量。理论分析表明，一方面，由于大功率开关晶体管的电流较大，由于有镇流电阻的存在，会消耗较大的功率从而减小输出增益。另一方面，由于大功率开关晶体管芯片版图常采用梳状电极结构，虽然镇流电阻能均衡各发射极条的电流，却不能均衡每个发射极条内某局部区域电流的不均匀性，不能有效地解决二次击穿效应。另外，制作镇流电阻还需要增加生产设备（真空镀膜机、激光修正设备等）和生产工序，增加了制造成本。

工艺上常采用减小发射结下面的基区电阻，即提高基区中的掺杂浓度，减小基区电阻。但是提高基区掺杂浓度要受到发射区极限掺杂浓度的限制，发射区极限掺杂浓度为1021cm-3数量级，所以基区的掺杂浓度只能提高到1019cm-3数量级。所以在工艺上也不能有效地提高硅双极型大功率开关晶体管正偏二次击穿功率容量。

本文提出了一种不明显改变芯片的面积，只在原版图的基础对发射区版图进行特殊设计，再通过调整工艺来弥补设计上的不足，从而有效提高大功率开关晶体管的二次击穿功率容量的方法。

3. 采用n+环版图设计提高二次击穿容量

如前所述，发射极电流集边效应的产生是由于基极电阻自偏压效应造成发射结侧面①与发射结底边②及发射结底边中心③的基极电位逐渐降低，使发射极条发射电子的能力为边缘强中间弱（见图1-2）。这种集边效应使发射结面积不能充分利用，影响了大功率开关晶体管大电流性能和功率容量，按原设计的功率为225w（tc=25℃），bvceo=200v，icm=30a的高速开关晶体管，在生产中有相当比例的器件只能达到160w的水平。在不改动芯片整体结构的情况下，采用n+环版图设计思路设计了新版图。所谓n+环版图，即在基区围绕发射结的附近设计一个与发射结同时形成的n+环（见图1-3），该环截断了基极电流流向发射结侧面的通路，从而减弱了发射极电流集边效应

与此同时，在n+环的下方形成了一个基极挤压电阻，其作用与发射极镇流电阻相同，对芯片上各个发射极体起到了均流作用。

这种版图设计可使大功率开关管晶体管正偏二次击穿电压提高10v左右，该设计的不足之处是：在基极相当于加了一个集极镇流电阻，当集电极电流＞10a以上的晶体管的饱和压降要增加0.1v～0.2v。因此采用基极引线孔浓硼扩散工艺很好的弥补了设计上的不足。

4. 结论

通过加n+环改进版图后，进行了新老版图投料实验，外延材料选用较薄的外延层，实验结果如表1所示。从实验结果可以看出，采用新版图和调整工艺后，二次击穿电压明显提高10v左右，大电流特性明显提高（ic=10a,vce=3v条件下测得的hfe提高了20），功率余量明显提高，同时还没有改变器件的开关参数和频率特性。由此可见，这种方法能使发射结面积得到充分的应用，在不改变器件开关参数和频率特性的前提条件下，能有效地提高大功率开关晶体管的正偏二次击穿功率容量。

[1] 施敏著，黄振岗译，半导体器件物理，电子工业出版社

[2] 浙江大学半导体器件教研室，晶体管原理，国防工业出版社，1980

[3] 北京大学半导体专业编著，晶体管原理与设计，北京：科学出版社，1977

[4] 李乃平，微电子器件工艺，武汉:华中理工大学出版社，1995