傳統的雙極晶體管是一種電流驅動型放大器，對其信號放大特性的分析以小注入電流為主，即在共發射極工作狀態時，輸入很小的基極電流就能控制輸出端的集電極電流而獲得很大的功率增益。功率雙極晶體管（Power BJT，中文常簡稱功率 BJT)的工作原理與傳統信號放大用的雙極晶體管相同，但在關斷狀態要能承受高電壓，故在p型基區與n?集電極之間加上一層較厚的輕摻雜n?漂移區來承受高阻斷電壓。導通時是大電流注入狀態，在基區和集電區的大電流注入會使功率雙極晶體管的電流增益降低，致使控制電路要提供較大的電流來驅動功率雙極晶體管，控制電路的設計會更復雜且成本提高。此外，功率雙極晶體管的電流放大率和特征頻率都會隨著電流的增大而迅速降低。n?漂移區因大電阻而增大的通態壓降，以及開啟和關斷過程的存儲電荷注入及抽取都使功率雙極晶體管產生較高的功耗。雖然達林頓結構 (Darlington Configuration）的多級功率雙極晶體管可以提高電流增益，但導通壓降會大幅升高而增加功耗。目前功率雙極晶體管的阻斷電壓可達 1.8kV，控制電流已達800A。???

npn 功率雙極晶體管的結構如圖2-66 所示，其中n?擴散層為發射區，p擴散層為基區，n?外延層為漂移區，n?襯底為集電區。與PiN器件中的n?漂移區功能類似，功率雙極晶體管的耐電壓能力由n?漂移區的摻雜濃度及厚度決定。在基極注入大電流時，基極電流流過基區電阻會產生壓降，導致發射極與基區的n?p結中心部分的偏置電壓低于邊緣區域的偏置電壓，所以發射極和集電極的電流密度是不均勻的，靠近基極接觸端的發射極邊緣有較大的發射極電流密度。這就是發射極電流集邊效應 (Emitter Current Crowding)。發射極電流集邊效應會使電流增益急劇下降，也影響功率雙極晶體管開啟及關斷過程的功耗。所以如圖2-67所示，在功率雙極晶體管的布局時，發射極指叉周圍都有基極指叉形成對稱的指狀交叉幾何圖形 (Interdigitated Finger Geometry），這樣既可以降低發射極電流集邊效應，同時也可以增強器件的散熱能力。

功率雙極晶體管在開啟瞬間會使集電極電流I?產生電流過沖 (CurrentOvershoot)，在關斷瞬間會使集電極電壓 U?出現電壓過沖，這些過沖現象產生的大電流及大電壓會增大功率雙極晶體管的功耗，也易發生破壞性器件失效。當功率雙極晶體管工作在特性曲線的正向有源區時，電流密度分布不均勻的發射極電流會在發射結上形成局部熱起伏；發射結上局部區 域電流密度較高的部分具有較高的溫度，致使該區域的pn結自建電勢(Built-in Potential)隨溫度上升而下降，促使更多的電流注入該區而提高耗散功率；再進一步引起局部升溫，使發射結上因熱正反饋現象而在晶體管內部產生熱斑。熱斑產生的高溫會使 pn結耗盡區的自建電勢急劇降低而使集電極短路，功率雙極晶體管即進入熱型低電壓大電流二次擊穿狀態。在外部電路加上限流保護裝置則可使晶體管恢復工作。若無限流保護裝置則會因熱斑溫度快速上升而破壞材料組成及器件結構，導致功率雙極晶體管永久損壞。此外，在正偏的高電壓及大電流情況下，集電極電流上升會使p基區與，n?漂移區間的勢壘降低，最大的電場強度就移到n?/n?結上，并在n?/n?結附近產生雪崩碰撞電離，功率雙極晶體管即進入正偏低電壓大電流二次擊穿狀態，造成器件破壞性失效。

在功率雙極晶體管關斷瞬間，晶體管處于反偏狀態，集電極電流會瞬間被集中在發射極的中心區域，使該區域電流密度增大 10 倍以上。隨著集電極電壓上升到峰值，就使晶體管處于高電壓大電流的反偏狀態，此時電場的峰值出現在n?漂移區與n?襯底交界處，電子即以飽和速度向集電極移動，致使集電結J1的電壓下降且集電極電流增大，就發生反偏雪崩擊穿而使器件損壞。由于這種擊穿是因為峰值電場由J2結區移至n?/n?結區，致使n?/n?結的雪崩區向集電區注入空穴而引發的低電壓雪崩電離效應，故稱為反偏二次擊穿。在n?漂移區和n?襯底之間引入一層摻雜濃度略高的緩沖層可以降低界面的電場強度峰值，或者增大條型發射極邊緣區的結深，這樣就可避免在低電壓時發生雪崩擊穿。

功率雙極晶體管的技術已十分成熟，但因電流增益較小及輸入阻抗較低，故在高電壓應用領域，功率雙極晶體管已逐漸被性能更好的IGBT 所取代。

審核編輯：湯梓紅