晶体管设计大功率晶体管是功率驱动电路的核心元件。
大功率晶体管通常工作在极限参数状态下，其主要参数是击穿电压和电流容量。
分析了大功率晶体管的工作原理和设计原则，并针对一个具体的大功率晶体管的参数要求，设计了晶体管的纵向和横向结构尺寸，并确定了材料参数和工艺参数。
大功率品体管以其电压高，电流大，功率大的独特优势随着社会的进步得到了不断的拓展。
在五十年代，锗合金工艺相对硅成熟，因此锗管成为大功率品体管的先声，在大功率晶体管中占据着主流地位。
硅大功率晶体管在1956年问世。
从此品种繁多的各种硅功率管大量应用到通讯和雷达设备、发射电路中的功率放大器、倍频器和振荡器等。
由于硅材料容易获得且能工作在较高温度具有小的反向电流和高的耐压特性等优点，因而在后期硅的发展速度远远超过锗管。
功率开关管作为各种类型开关电源的主功率开关器件，随着开关电源的日益发展，其应用范围更加广泛。
目前，硅大功率晶体管已广泛地应用于:(1)电源开关、反相器、电机速度控制:(2)汽车的点火电路，制动电路;(3)用于广播、电视的高频放大和电子计算机，通信设备的电源装置和各类开关电源等方面。
(4)军事工业和航空航天工业大功率设备。
大功率晶体管以其电压高、电流大、功率大的独特优势在自动化控制系统、计算机电源系统、交通电气设备、不停电电源装置及各类开关电源、各种变流系统、军事工业及航空航夭工业部门的大功率设备中占有非常重要的地位。
即使在集成电路技术和新型电力电子器件迅速发展的今天，普通型大功率晶体管在半导体产业这个大家族中仍占有一席之地，特别是在集成电路所不能胜任的领域(诸如低噪声，高耐压，大电流，大功率和微波性能等方面)发挥愈来愈大的作用。
因此，进一步研究、设计、制造大功率晶体管具有重要意义。
大功率晶体管区别于小功率晶体管的最大工作特点就是在大的耗散功率或输出功率条件下工作(即在大电流或高电压)。
因此，大功率品体管除了在大电流一下保证足够的放大能力和承受较高的集电极电压外，还必须有良好的散热能力。
2. 1大功率晶体管的大电流效应从晶体管原理可知，当晶体管在大电流或则高压下工作时，会发生一些不同于小电流工作的效应和现象:基区电导调制效应，基区增宽效应，基极电阻自偏压效应和发射极电流集中现象等。
基区电导调制效应:从晶体管的工作机理可知，晶体管的工作电流越大，则注入到基区的少数载流子就越多。
为了保持基区电中性的要求，在基区内需要引入同等数量的多数载流子。
这样一来，就会使基区内导电的载流子浓度增加，增大了基区的电导率，也就是说，基区的电导率受到了工作电流的调制。
山于基区电导率的增加，将使少子在基区内被复合的几率增加，导致电流放大系数下降。
基区增宽效应:在大的电流密度时，晶体管集电结空间电荷区域内的运动载流一子浓度将大大增加。
当集电极电流密度达到或超过某一定值时，由于运动载流子浓度的急剧增加，致使集电结附近的空间电荷出现重新分布的现象一基区一边集电结的电荷密度将大大增加，而集电区一边的集电结空间电荷密度将下降。
由于基区和集电区结附近要求电荷平衡，空间电荷的边界将向运动载流子的迁移方向移动，在发射结位置不变时，集电结的移动将相应的导致晶体管基区宽度增加，从而使电流放大系数下降。
2. 2大功率晶体管的饱和压降由晶体管的原理可知，饱和压降Uces的表达式:（2.1）式中为晶体管反向运用的电流增益(一般为0. 1)，式右边第一项为0. 1 V-0. 3V左右，第二项对饱和压降起主要贡献。
从式2. 1可知，要想降低Uces就必须从减小集电极串联电阻rcs着手。
图2-2是集电极串联电阻示意图，从图中可以看出:rcs =rc1+rc2+rc3 (2. 2) 要精确地计算rcs是很困难的，下面只是通过大量的近似来粗略估算下，以便从中找出减小rcs的办法。
由于在饱和工作区时，Vbc>0，有空穴注入到发射区下面的外延层中，产生电导调制效应，使rc1下降,在深饱和、大注入时，可使rc1下降很多，以致rc1可以忽略不计，即饱和时的集电极串联电阻rcs近似为:(2.3)C 1) rc2.的计算因为电流由集电结垂直下来后转角流入埋层，所以取拐角的电阻为1/2的薄层电阻值，因而在计算rc2长度时，可以从发射区接触孔中心到集电极接触孔中心的长度L,:_。
即可，饥.为埋层宽度，Rs一瓜为埋层的方块电阻。
（2.4）(2) rc3的计算在进行rc3的计算时，假定其图形是一个上下底为矩形且相互平行的锥体，且作以下的近似:上底、下底各为等位面;锥体内的电流只在垂直方向流动:在上、下面上的电流分布是均匀的。
这样结构的电阻可用下式求得:（2.5）式中:P为材料的电阻率;T为锥体的高度:W, L为顶面矩形的宽和长;b为底面矩形与顶面矩形相应的宽和长的比值,平行锥体的厚度T可用下式来近似估算: （2.6）式中:Tepi为外延层的厚度:X jc为集电极结深.2. 3大功率晶体管的击穿分析大功率晶体管击穿包括晶体管的热击穿，雪崩击穿，表面击穿.晶体管的热击穿就是由于管子局部或全部过热而使器件突然损坏的一种现象，这往往是山于晶体管工作温度—参数不稳定性引起的。
热击穿通常先在晶体片的局部区域发生的，其原因是晶体管结构和材料的不均匀性。
在平行于P-N结方向产生电场梯度，导致电流的局部集中和在晶体片产生温度梯度。
由于局部温度增加和散热面积缩小，从而更促使管子温度增加。
最后导致管子完全损坏。
为了避免热击穿，则需要改善晶体管的结构，提高晶体管材料的均匀性，摒除易熔金属或合金，尽量提高结面积上的电流分部的不均匀性，而减少管子内部过热现象的出现。
大功率晶体管的设计，即要达到功率容量的要求，又要使管子的温度限制在最高结温以下，则需增强晶体管向外界散发热量的能力。
在晶体管中产生的热量可以通过下述三个方式散发出去:(I)在集电结产生的热量首先传递至晶片表面，再由晶片表面经电极传至管壳。
（2)通过管壳内部气体的对流，或者通过辐射的方式将热量传递至管壳。
(3)管壳通过辐射或与周围空气的传导，将热量散发至周围空气中。
雪崩击穿即内场击穿，它是由于结的空间电荷内，当运动的载流子大量地通过此空间的电荷区域并碰撞点阵原子，使点阵原子剧烈地电离而产生电子空穴对。
他随着空间电场的加大而加剧。
杂质浓度梯度a愈大，缓变结的雪崩击穿电压Vb越低，Vb正比于，杂质浓度梯度a不仅与结附近的杂质分布形式有关，且与扩散结的结深Xj:、衬底晶片的杂质浓度N0,分布形式有关，扩散层表面浓度Ns 、有关。
表面效应引起的电击穿，归根到底，都是因为晶体表面的不完善性，致使表面电场集中，以致电击穿先于体内发生，或者结表面有沾污现象，引起结的反向电流显著增大和不稳定现象。
表面效应引起的电击穿，归根到底，都是因为晶体表面的不完善性，致使表面电场集中，以致电击穿先于体内发生，或者结表面有沾污现象，引起结的反向电流显著增大和不稳定现象。
表面击穿现象归为以下几点:(1)在结的表面存在污物或杂质点，直接构成了漏电通道，致使结的耐压降低。
(2)由于管壳内存在有害气体的影响，或晶片周围气体介质发生改变，在晶体表面引起附加的电荷，使靠近表面层的载流子浓度提高，等效于晶体材料电阻率的下降，因而击穿电压值下降。
(3)由于结构和材料存在着缺陷，在表面出现局部的强龟场，并由此引起晶体表面状态的改变和反向漏电流的不稳定。
(4)对有Sio2膜保护的器件来说，由于Si02膜中难免掺入金属正离子或氧离子.这种离子的迁移造成结击穿电压的不稳定性。
因此我们应尽量减小晶片缺陷。
在满足性能要求下，尽量加宽处延层厚度和掺杂的均匀性;同时选取合适的发射极图形。
2. 4大功率晶体管的二次击穿(1)二次击穿现象从广义上讲，二次击穿是指器件承受的电压突然降低，电流急剧增大，器件由高压小电流状态突然跃入低压大电流状态的一种现象。
典型的二次击穿电流一电压特性曲线如图2-4所示。
当电压增加到雪崩击穿电压V,、时，电流急剧上升，AB段可称之为发生一次击穿。
当电流增加到B点，并在B点经过短暂停留之后，器件将由高压状态跃变到低压C点。
这时，如果电路无限流措施，电流将急剧增加，进入低压大电流区域CD段，直至最后烧毁。
(2)产生原因二次击穿主要是由于器件体内局部温度过高造成。
温度升高的原因是当正向偏置时由热不均衡性引起，反向偏置时由雪崩击穿引起。
因为晶体管的热阻在管子内部各处分布是不均匀的，在一些薄弱的区域，温度升高比其它部分高，形成所谓“热斑”，局部温度升高引起局部电流增加，电流增加又使温度升高，如此循环直至一个临界温度，造成管子的击穿。
雪崩击穿引起的二次击穿是由于发生一次雪崩击穿后，在某些点上因为电流密度过大，改变了结的电场分布，产生负阻效应从而使局部温度过高的一种现象。
鉴于上述分析，大功率管设计必须着重考虑两点:(1)大功率晶体管的饱和压降。
对大功率晶体管来一说，饱和压降是一个非常重要的参数，若饱和压降过大，将会限制它的工作电流的提高。
(2)击穿问题。
大功率晶体管工作在较大的耗散功率下，电流电压都具有相当大的数值，因而存在二次击穿问题。
3.大功率晶体管纵向结构设计大功率晶体管参数指标如下表所示:表3. 1大功率晶体管主要技术指标本文设计的大功率晶体管为具有外延层的N'-N -PN型平面晶体管，其结构模型如图3-1所示。
首先在低阻衬底N'型Si片上，先制作薄的N一型高阻外延层，外延层的电阻率ρc和厚度Wc.主要由管子所要求的集电极的击穿电压决定。
然后应用标准平面工艺，在Si表面生长氧化层，通过光刻和扩散等工艺，在外延层上先后制作所要求的电极图形的P型扩散基区和高浓度N‘扩散型发射区。
并在其上制作欧姆接触电极，形成了N"-N--P-N‘结构的外延平面工艺结构。
基区扩散层厚度(集电结深度Xjc)发射区扩散层厚度(发射结结深Xje. )，将由晶体管所要求的设计参数来决定。
基区宽度Wb是Xjc和Xje;。
二者之差:Wb=Xjc-Xje (3.1)为了达到集电极要求的工作电压，则须增大外延层厚度Wc.和提高其电阻率ρ，但外延层厚度Wc 提高后，集电极串联电阻也随之增大，而使管子的截止频率下降和输出特性恶化。
3. 1. 1集电结结深设计制造过浅或过深的P-N结都是有困难的。
由于晶片表面难免有破坏点和损伤存在，过浅的P-N结不易达到良好的反向耐压特性。
而过深的P-N结，不但需要长时间的扩一散时间，而且长时间的高温过程会引起晶体材料性能上的恶化。
由表1可知，本文设计功率晶体管的发射极和集电极之间的击穿电压为60V,山BVceo与Bcbo经验公式:其中n是常数，其值与晶体材料有关，对于硅N-P-N型硅平面管，n一般取4.由击穿电压与杂质浓度梯度的关系：式中aj是杂质浓度梯度，在上面的式子中，己算出BV cbo=151.83(V) ,结合实际，BVcbo与Eg和Nc有如下近似关系式中Nc是外延层杂质浓度，Eg是硅的禁带宽度，将Bvcbo=151.83 V代入上式，可得出:又由集电结杂质浓度梯度的表达式:式中Xje为集电结结深，Nbo为基区扩散表面杂质浓度(一般取Nbo=8x),将ajc = 2.36 x ,Nc= 5.09 x 代入上式，可求出:3. 1.2大功率晶体管的特征频率基区渡越时间。