晶體管安全工作區

晶體管安全工作區，也簡稱安全工作區，是指功率半導體器件（例如雙極性晶體管、場效應管、晶閘管以及絕緣柵雙極晶體管）能夠按照預期正常工作而不會造成損壞時的電壓電流等條件的範圍，用來確認晶體管是否在安全的條件下工作的信息。在半導體器件產品的手冊或datasheet裏，安全工作區通常以圖像的形式標明，以晶體管為例，安全工作區標示圖的橫座標是 VCE（集電極-發射極電壓）、縱座標是 ICE（集電極-發射極電流），而安全工作區的範圍即為曲線與座標軸所包圍的區域。這一邊界曲線中結合了器件的以下各項工作限制：最大電壓、最大電流、與最大耗散電功率，而這些限制中也包含了對結的温度、內部熱阻、晶粒焊線的載流能力和二次擊穿這幾項因素的考慮。除了可依照連續工作條件畫出安全區域之外，也可以另針對脈波（例如：1mS 或 10mS）的瞬間工作條件作出脈波下的安全工作區域。其中反向偏置安全工作區（RBSOA）是要關閉器件時的安全工作區。反向偏置安全工作區可能和一般的安全工作區不同，以IGBT為例，反向偏置安全工作區的上半部會隨着器件集電極對發射極的電壓變化率dVce/dt的增大而逐漸變小。正向偏置安全工作區（FBSOA）是要開啓器件時的安全工作區。繪製晶體管的安全工作區有直流測試和脈衝測試兩種方法，直流測試最嚴格，脈衝測試要求較松，所以直流 SOA 範圍較小，脈衝 SOA 範圍較大。

功率晶體管及其他半導體器件在應用中常常會受到一種被稱為“二次擊穿”現象的損壞，它表現為器件電壓自發地而且往往是突然的下降，以及突然發生內部電流集中。電壓降低和伴隨的電流增大會造成電路故障，而內部電流集中將會引起局部發熱，因而導致器件退化甚至完全失效，要保證功率晶體管的工作可靠性，就需要研究功率晶體管的最大安全工作區 ^[1]  。二次擊穿屬於晶體管的固有特性，產生二次擊穿的原因主要是管內結面不均勻、晶格缺陷等。當晶體管使用在高電壓和低電流的範圍時，晶體管的使用條件受二次擊穿耐量限制，而且二次擊穿限制比功率限制更嚴格，就是説使用時雖未達到晶體管的最大功率，但是已經達到了二次擊穿的條件，晶體管也會燒燬。有的晶 體管二次擊穿區域只畫一條線。

另外，也有由於熱設計不當和高重複頻率，晶體管芯片的散熱不充分，導致連續發熱，超過通道的容許温度，引起熱失控而損壞的情況。

當集電極反偏電壓逐漸升高到某一數值時，集電極電流急劇增加，晶體管出現擊穿現象。這種現象稱為一次擊穿，一旦反向偏壓降低，器件就可復原，因而它是一種非破壞性的可逆反應。當集電極反偏電壓進一步增大，集電極電流增大到某一臨界值時，管子反向電壓突然降低，電流仍然繼續增長，表現出負阻現象，這個現象稱為二次擊穿。防止二次擊穿，改善器件可靠性的措施包括以下幾方面。

一、設計方面

在發射極和集電極條上串接鎮流電阻，提高功率管二次擊穿耐量。對微波功率管也可利用鍵合引線的電感和氧化物電容組成的網絡，選擇適當的匹配參數實現功率的自動調整。

二、工藝方面

發生二次擊穿的部位常是存在工藝缺陷的地方，如管芯與底座間燒結層的空洞，發射極鍵合點壓偏使鎮流電阻短路，硅鋁合金常使基區厚度不均勻等。這些缺陷使電流集中，熱阻增大。局部發熱過甚，導致PN結燒燬，所以要有針對性地加強工藝控制，確保工藝質量。

三、使用方面

使用時根據手冊使其工作在安全工作區內，在此區域內不會引起二次擊穿或特性的緩慢退化。