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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:劉鶴軒
研究生(外文):Liu Ho-Shuan
論文名稱:功率雙載子電晶體之熱電分析
論文名稱(外文):Study on Electro-Thermal properties of Power Bipolar Junction Transistors
指導教授:龔正龔正引用關係
指導教授(外文):Jeng jung
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:電子工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:69
中文關鍵詞:雙載子電晶體熱效應
外文關鍵詞:BipolarThermal effect
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功率雙載子電晶體在電力電子或通訊產品等方面被廣泛的應用著,如照明設備、家電用品等。其與一般雙載子電晶體不同的地方,在於集極端必須承受較大的外部偏壓,且一般又配合驅動大的集極電流的環境下,造成很大的功率消耗,如此一來將使得整個元件的溫度快速上升,即所謂的self-heating效應。此外,如操作在一些高溫環境系統中,如汽車電子等,元件也將面對溫度的改變。這些不管是因為自我功率消耗所造成的溫度上升或是外在環境的影響,都將因為溫度的改變使得元件的特性和可靠度產生變化,進而使得整個電路的工作效能與特性改變。
本篇論文所要研究的為功率雙載子電晶體的熱電特性。因為隨著通訊產業的蓬勃發展,能夠在高頻率的操作下又較不受溫度變化引響的元件越來越重要。因此本論文即以此為出發點,將在這些現象做分析,藉此瞭解元件改良的目標。因此,在論文的第二章裡,首先將回顧功率雙載子電晶體的基本元件物理特性和其溫度和頻率特性以及模型理論。
在第三章裡,我們將先考慮結構上的差異對元件特性的影響,因此將以二維的電性模擬軟體(Medici),模擬在相同的基極區域內,不同的射極數目造成的熱電現象。接下來,我們考慮製程上的差異所造成的影響,因此使用製程模擬軟體(Tsuprem4),模擬不同製程的功率雙載子電晶體,然後再以電性模擬軟體(Medici)模擬其直流、交流以及溫度特性分析和耐壓特性。除此之外,我們還進一步以三維模擬軟體(Taurus),做些簡單的三維電熱分析,。
Kirk效應在雙載子電晶體裡,扮演著相當重要的特性,尤其對處理大電流的高電壓雙載子電晶體而言。所以在第四章裡,將探討其對元件特性所帶來的影響,並且觀察此效應發生前後對溫度的靈敏度。
第五章裡,我們將把前面章節使用(Tsuprem4)軟體模擬出的元件,以Medici模擬出萃取Gummel Poon 模型用的I-V特性,然後代入BSIMPro做其SPICE的參數萃取。除了室溫下的萃取之外,還將作其高溫時的參數萃取。
最後,在第六章裡,我們將所得的結果,做一個歸納整理,希望對往後的研究提供一個參考。

This paper concerns the electro-thermal properties of power bipolar junction transistors. In order to keep with the trend of circuit integration, the problems of thermal effect is very important for power devices and low voltage circuit integrated on the same chip. First, in order to reduce the self-heating effect, we discuss the influence of current distribution and temperature change for different structures. Next, we study the effect of thickness and doping concentration of the epitaxial layer on breakdown voltage and Kirk effect. The Kirk effect causes a strong degradation of current gain and frequency response, so it is important to prevent this effect in power devices. At last, we simulate the device I-V characteristics with CAD tool like Medici and a model parameter extraction program (BSIMPro) to extract the Gummel-Poon model of power bipolar junction transistors at different temperatures.

目錄
第一章 簡介……………………………………………………………1
第二章 基本元件物理…………………………………………………3
2.1簡述……………………………………………………………...…3
2.2功率雙載子電晶體的結構………………………………………...3
2.3元件物理簡介……………………………………………………...4
2.3.1高注入效應…………………………………………………4
2.3.2 基極寬度調變…………………………………………...…4
2.3.3元件崩潰原理………………………………………………5
2.3.4 射極擁擠效應…………………………………………...…6
2.3.5 頻率響應……………………………………………...……6
2.4熱效應……………………………………………………………...7
2.4.1集極電流與溫度的相關性…………………………………..7
2.4.2 一維BJT熱轉換模型……………………………………….9
第三章 元件的模擬與設計…………………………………………..15
3.1簡述………………………………………………………………15
3.2電流擁擠效應與溫度的關係……………………………………15
3.2.1不同射極數目的影響…………………………………….16
3.2.2 射極與基極間距的影響………………………………...19
3.3耐壓的設計和元件溫度特..……………………………………..19
3.3.1磊晶層的影響…………………………………………….19
3.3.2 不同溫度時的特性與電熱現象..……………………….21
3.3.3 Taurus 三維軟體的模擬…...……………………………22
第四章 Kirk效應分析與模擬…………………………………..…….44
4.1簡述………………………………….…………………………..44
4.2 Kirk效應的模擬……………………………………………….44
4.3 磊晶層濃度與厚度相對Kirk效應的關係……………………46
4.3.1不同磊晶層厚度的Kirk效應…………………………..46
4.3.2不同磊晶層濃度的Kirk效應…………………………..48
第五章 元件Gummel Poon模型的參數萃取……………………….58
5.1簡述……………………………………………………………....58
5.2模型概述…………………………………………………………58
5.3萃取用的I-V特性模擬…………………………………………60
5.4溫度參數萃取……………………………………………………61
第六章 結論…………………………………………………………67
參考資料………………………………………………………………..68

參考資料
[1] C.Y. Chang & S.M. Sze “ ULSI DEVICES ” John Wiley & Sons,Inc
[2] B.JAYANT BALIGA “ POWER SEMICONDUCTOR DEVICES ”
[3] Chang-Woo Kim ,Norio Goto, and Kazuhiko Honjo “ Thermal Behavior Depending Emitter Finger and Substrate Configurations in Power Heterojunction Bipolar Transistor ” IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES ,VOL 45,NO.6 JUNE 1998
[4] B.H. Krabbenborg , A.Bosma , H. C. de Graaff ,and A. J. Mouthaan “ Layout to Circuit Extraction for Three-Dimensional Thermal-Electrical Circuit Simulation of Device Structures” IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTER-AIDED DESIGN OF INTEGRATED CIRCUIT AND SYSTEMS ,VOL.15 , NO.7 , JULY 1996
[5] David T. Zweidinger , Robert M. Fox , Jonathan S. Brodsky , Taewon Jung , and Sang-Gug Lee “ Thermal Impedance Extraction for Bipolar Transistors ” IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 43, NO.2 FEBRUARY 1996
[6] Alvin J. Joseph , John D. Cressler , David M. Richey , Guofu Niu “ Optimization
of SiGe HBT’S for Operation at Current Densities ” IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 46, NO. 7, JULY 1999
[7] David T. Zweidinger , Sang-Gug Lee ,Robert M. Fox “Compact Modeling of BJT Self-Heating in SPICE ” IEEE TRANSACTION ON COMPUTER-AIDED DESIGN OF INTEGRATED AND SYSTEMS. VOL. 12, NO. 9 , SEPTEMBER 1993
[8] STANLEY WOLF Ph.D. “ SILICON PROCESSING FOR THE VLSI ERA VOLUME 2: PROCESS INTEGRATION ” ,Lattice Press ,1995 pp.486-496
[9] Donald A. Neamen “ Semiconductor Physics & Devices ” Second Edition
[10] BEN G. STREETMAN & SANJAY BANERJEE “ SOLID STATE ELECTRONIC DEVICES ” Fifth Edition
[11] Dario D’Amore and Paolo Maffezzoni “Analysis of Fast Electrothermal Dynamics in Power BJT ” IEEE TRANSACTIONS ON DEVICES, VOL. 47,NO.9 ,SEPTEMBER 2000
[12] Robert M.Fox, Sang-Gug Lee “Scalable Small-Singal Model for BJT Self-Heating ” IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS. VOL. 12 NO. 12, DECEMBER 1991
[13]Yi Tang, Jefferey B.Fedison and T.Paul Chow “An Implanted-Emitter 4H-SiC Bipolar Transistor with High Current Gain” IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS,VOL.22,NO.3,MARCH 2001
[14]Robert M. Fox, Sang-Gug Lee and David T. Zweidinger “ The Effects of BJT Self-Heating on Circuit Behavior” IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUIT. VOL. 28 NO.6,JUNE 1993
[15]洪嘉明, “複晶矽雙極性電晶體直流特性分析與直流電阻萃取”
清華大學電機所博士論文,民國89年
[16] 原著: Ian Getreu ,譯:蔡中 “ 雙極電晶體之模式”,民國七十一年十一月初版

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