[科普中国]-晶体管安全工作区

晶体管安全工作区对于双极型晶体管，能够安全、可靠地进行工作的电流和电压范围，即称为晶体管的安全工作区；超过此范围的电流和电压工作时晶体管即有可能发生损坏。

简介晶体管安全工作区，也简称安全工作区，是指功率半导体器件例如双极性晶体管、场效应管、晶闸管以及绝缘栅双极晶体管）能够按照预期正常工作而不会造成损坏时的电压电流等条件的范围，用来确认晶体管是否在安全的条件下工作的信息。在半导体器件产品的手册或datasheet里，安全工作区通常以图像的形式标明，以晶体管为例，安全工作区标示图的横坐标是 VCE（集电极-发射极电压）、纵坐标是 ICE（集电极-发射极电流），而安全工作区的范围即为图中曲线与坐标轴所包围的区域。这一边界曲线中结合了器件的以下各项工作限制：最大电压、最大电流、与最大耗散电功率，而这些限制中也包含了对结的温度、内部热阻、晶粒焊线的载流能力和二次击穿这几项因素的考虑。除了可依照连续工作条件画出安全区域之外，也可以另针对脉波（例如：1mS 或 10mS）的瞬间工作条件作出脉波下的安全工作区域。其中反向偏置安全工作区（RBSOA）是要关闭器件时的安全工作区。反向偏置安全工作区可能和一般的安全工作区不同，以IGBT为例，反向偏置安全工作区的上半部会随着器件集电极对发射极的电压变化率dVce/dt的增大而逐渐变小。正向偏置安全工作区（FBSOA）是要开启器件时的安全工作区。绘制晶体管的安全工作区有直流测试和脉冲测试两种方法，直流测试最严格，脉冲测试要求较松，所以直流 SOA 范围较小，脉冲 SOA 范围较大。

原因功率晶体管及其他半导体器件在应用中常常会受到一种被称为“二次击穿”现象的损坏，它表现为器件电压自发地而且往往是突然的下降，以及突然发生内部电流集中。电压降低和伴随的电流增大会造成电路故障，而内部电流集中将会引起局部发热，因而导致器件退化甚至完全失效，要保证功率晶体管的工作可靠性，就需要研究功率晶体管的最大安全工作区1。二次击穿属于晶体管的固有特性，产生二次击穿的原因主要是管内结面不均匀、晶格缺陷等。当晶体管使用在高电压和低电流的范围时，晶体管的使用条件受二次击穿耐量限制，而且二次击穿限制比功率限制更严格，就是说使用时虽未达到晶体管的最大功率，但是已经达到了二次击穿的条件，晶体管也会烧毁。有的晶 体管二次击穿区域只画一条线。

另外，也有由于热设计不当和高重复频率，晶体管芯片的散热不充分，导致连续发热，超过通道的容许温度，引起热失控而损坏的情况。

二次击穿当集电极反偏电压逐渐升高到某一数值时，集电极电流急剧增加，晶体管出现击穿现象。这种现象称为一次击穿，一旦反向偏压降低，器件就可复原，因而它是一种非破坏性的可逆反应。当集电极反偏电压进一步增大，集电极电流增大到某一临界值时，管子反向电压突然降低，电流仍然继续增长，表现出负阻现象，这个现象称为二次击穿。防止二次击穿，改善器件可靠性的措施包括以下几方面。

一、设计方面

在发射极和集电极条上串接镇流电阻，提高功率管二次击穿耐量。对微波功率管也可利用键合引线的电感和氧化物电容组成的网络，选择适当的匹配参数实现功率的自动调整。

二、工艺方面

发生二次击穿的部位常是存在工艺缺陷的地方，如管芯与底座间烧结层的空洞，发射极键合点压偏使镇流电阻短路，硅铝合金常使基区厚度不均匀等。这些缺陷使电流集中，热阻增大。局部发热过甚，导致PN结烧毁，所以要有针对性地加强工艺控制，确保工艺质量。

三、使用方面

使用时根据手册使其工作在安全工作区内，在此区域内不会引起二次击穿或特性的缓慢退化。

本词条内容贡献者为:

刘宝成 - 副教授 - 内蒙古民族大学