第4章 双极型晶体管的功率特性

双极功率晶体管与场效应晶体管的比较导言：在电子元件领域，功率晶体管被广泛应用于功率放大和开关电路中，而双极功率晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT）和场效应晶体管（Field-Effect Transistor，FET）是其中两种常见的类型。

本文将对这两种晶体管进行比较，包括工作原理、特性和应用等方面。

一、工作原理1. 双极功率晶体管：双极功率晶体管是一种三层晶体管，由两个PN结组成。

在工作过程中，控制电流被注入基极结，通过基极电流来控制负载电流。

当基极电流达到一定的阈值，集电极-发射极之间的电流就会增加。

它可以工作在放大模式和开关模式下。

2. 场效应晶体管：场效应晶体管是一种由栅、源和漏三个极端组成的四层结构。

其中，源极和漏极之间通过栅极电压控制电流流动。

当栅极电压改变时，导电层的宽度也会发生变化，从而影响了电流流动。

它可分为MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）和IGBT（绝缘栅双极性晶体管）两大类。

二、特性比较1. 工作频率：双极功率晶体管由于涉及较多的电子动量传递过程，因此其最高工作频率相对较低，一般在几百MHz到几十GHz之间。

而场效应晶体管由于操作时只涉及电场效应，因此可实现更高的工作频率，达到几十GHz以上。

2. 控制电流：双极功率晶体管需要基极电流来激活，并且在工作过程中需要消耗一定的功率。

而场效应晶体管的控制电流非常小，在无功耗的情况下可以实现更高的效率。

3. 输入电阻和噪音：双极功率晶体管具有相对较低的输入电阻，因此主要用于对输入电阻较高的传感器和信号源进行放大。

而场效应晶体管具有非常高的输入电阻，适用于对电阻要求较低的应用，例如放大信号源。

4. 开关特性：双极功率晶体管在开关模式下对负载电流的响应速度非常快，具有较高的开关速度。

而场效应晶体管需要时间来响应并建立沟道，其开关速度相对较慢。

三、应用领域1. 双极功率晶体管：双极功率晶体管广泛应用于音频放大器、功率放大器、调制器、开关电源等领域。

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的工作原理、基本特性、主要参数绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一种复合型电力电子器件。

它结合了MOSFET和电力晶体管GTR的特点，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有输入通态电压低、耐压高和承受电流大的优点，因而具有良好的特性。

自1986年IGBT开始投入市场以来，就迅速扩展了其应用领域，目前已取代了原来GTR和一部分MOSFET的市场，成为中、小功率电力电子设备的主导器件，并在继续努力提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。

IGBT的结构与工作原理IGBT是三端器件。

具有栅极G、集电极C和发射极E。

图1（a）给出了一种由N 沟道MOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT的基本结构。

与MOSFET对照可以看出，IGBT比MOSFET多一层P+注入区，因而形成了一个大面积的PN结J1。

这样使得IGBT导通时由P+注入区向N基区发射载流子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。

图1 IGBT的结构、等效电路和电气符号从图1可以看出，这是用双极型晶体管与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的PNP晶体管，RN为晶体管基区内的调制电阻。

因此，IGBT 的驱动原理与MOSFET基本相同，它是一种场控器件，其开通和关断是由栅射电压uGE决定的，当uGE为正且大于开启电压UGE（th）时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流，进而使IGBT导通。

由于前面提到的电导调制效应，使得电阻RN减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。

当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。

上述PNP晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT称为N沟道IGBT，记为N-IGBT，其电气图形符号如图1（c）所示。

实验一双极型晶体管特性参数测量实验目的：1.掌握双极型晶体管的基本特性参数的测量方法；2.了解双极型晶体管的放大特性。

实验仪器和材料：1.双踪示波器2.双极型晶体管3.功率电源4.电阻器5.电容器6.变阻器7.万用表实验原理：双极型晶体管是一种常用的电子元器件，通常用于放大电信号。

为了评估双极型晶体管的性能，需要测量其一些重要的特性参数，包括静态特性参数和动态特性参数。

常用的双极型晶体管特性参数有：1.静态参数a.静态输入特性：基极电流-基极电压（IB-VBE）特性曲线，用于描述基极电流与基极电压之间的关系；b.静态输出特性：集电极电流-集电极电压（IC-VCE）特性曲线，用于描述集电极电流与集电极电压之间的关系；c.静态放大系数：集电极电流与基极电流之间的比值，常用符号（β或hFE）表示；2.动态参数a.数字电压放大倍数：用于评估双极型晶体管的放大能力；b.动态输入电阻：输入信号变化引起的基极电流变化与基极电压变化之比，用于衡量信号源和输入电路之间的匹配程度；c.动态输出电阻：输出信号变化引起的集电极电流变化与集电极电压变化之比，用于评估输出电路和负载电阻之间的匹配程度。

实验步骤：1.连接电路。

按照实验电路图连接电路，确保电源的接线正确。

2.静态特性参数的测量。

b.测量不同电阻值时的IC1，记录数据c.改变基极电流IB，测量IC2的值，记录数据d.根据数据计算静态放大系数β3.动态特性参数的测量。

b.改变输入信号频率，测量输出信号幅度和相位，记录数据。

c.根据数据计算动态输入、输出电阻的值。

实验结果分析：根据实验测量到的数据，可以得到双极型晶体管的静态和动态特性参数，通过比较这些参数与标称值的差异，可以评估器件工作是否稳定。

同时，根据实验结果也可以评估双极型晶体管的放大能力和输入输出电阻的匹配情况。

注意事项：1.连接电路时，注意电源极性及电路连接的正确性，避免短路或错误连接的风险。

2.测量过程中要及时记录数据，保证准确性和可靠性。

功率晶体管（GTR)的特性功率晶体管（GTR）具有控制方便、开关时间短、通态压降低、高频特性好、安全工作区宽等优点。

但存在二次击穿问题和耐压难以提高的缺点，阻碍它的进一步发展.—、结构特性1、结构原理功率晶体管是双极型大功率器件，又称巨型晶体管或电力勗体管,简称GTR。

它从本质上讲仍是晶体管，因而工作原理与一般晶体管相同。

但是,由于它主要用在电力电子技术领域,电流容量大，耐压水平高，而且大多工作在开关状态，因此其结构与特性又有许多独特之处.对GTR的要求主要是有足够的容量、适当的增益、较高的速度和较低的功耗等。

由于GTR电流大、功耗大,因此其工作状况出现了新特点、新问题。

比如存在基区大注入效应、基区扩展效应和发射极电流集边效应等，使得电流增益下降、特征频率减小，导致局部过热等，为了削弱这种影响,必须在结构上采取适当的措施。

目前常用的GTR器件有单管、达林顿管和模块三大系列。

三重扩散台面型NPN结构是单管GTR的典型结构，其结构和符号如图1所示.这种结构的优点是结面积较大，电流分布均匀，易于提高耐压和耗散热量；缺点是电流增益较低,一般约为10～20g。

图1、功率晶体管结构及符号图2、达林顿GTR结构（a）NPN-NPN型、(b)PNP-NPNxing达林顿结构是提高电流增益的一种有效方式.达林顿GTR由两个或多个晶体管复合而成,可以是PNP或NPN型，如图2所示，其中V1为驱动管,可饱和,而V2为输出管，不会饱和。

达林顿GTR的电流增益β大大提高,但饱和压降VCES也较高且关断速度较慢。

不难推得IC=ΒIB1.VCES= VCES1+VCES2（其中β≈β1β2）目前作为大功率开关应用最多的是GTR模块.它是将单个或多个达林顿结构GTR及其辅助元件如稳定电阻、加速二极管及续流二极管等，做在一起构成模块，如图3所示。

为便于改善器件的开关过程或并联使用，有些模块的中间基极有引线引出。

GTR模块结构紧凑、功能强,因而性能价格比大大提高。

《半导体器件物理基础》复习要点授课教师：李洪涛编辑：徐驰第一章PN结载流子：N型半导体中电子是多数载流子，空穴是少数载流子；P型半导体中空穴是多数载流子，电子是少数载流子。

pn结：指半导体中p区和n区的交界面及两侧很薄的过渡区,由p区和n区共格相连而构成。

多子的扩散运动使空间电荷区变宽，少子的漂移运动使空间电荷区变窄，最终达到动态平衡，Ｉ扩＝Ｉ漂，空间电荷区的宽度达到稳定，即形成ＰＮ结。

突变结：由合金法、分子束外延法制得的pn结，在p区和n区内杂质分布均匀，而在交界面处杂质类型突变。

缓变结：由扩散法制得的p－n结，扩散杂质浓度由表面向内部沿扩散方向逐渐减小，交界面处杂质浓度是渐变的。

施主杂质浓度空间电荷区：ＰＮ结的内部由于正负电荷的相互吸引，使过剩电荷分布在交界面两侧一定的区域内。

电离施主与电离受主都固定在晶格结点上，因此称为“空间电荷区”。

空间电荷区电子浓度公式：n=n i exp((E f-E i)/KT)载流子在pn结区附近的分布：空间电荷区载流子浓度分布则如下图所示：用线性轴则如下图：结区电场、电位分布：耗尽区单位体积带电量相同。

势垒区内电场强度正比于Q1Q2/r2, 中心处电场最强。

所以就有了如下的电场强度分布和电位分布。

耗尽近似：空间电荷区只存在未被中和的带点离子，而不存在自由载流子，或者说自由载流子浓度已减小到耗尽程度，因此ＰＮ结又称为“耗尽层”。

耗尽区因无载流子，可忽略扩散和漂移的运动。

pn结能带图：接触电位差V D：pn结的内建电势差，大小等于空间电荷区靠近p区侧边界处电位与靠近n 区处电位之差。

n、p区掺杂浓度越大（或结区杂质浓度梯度越大）、材料禁带宽度越宽，温度越低，接触电势差越大。

PIN结构：在P区与N区中间加入一层本征半导体构造的晶体二极管。

高低结：n+-n或者p+-p结构的结。

同样有扩散和漂移的平衡，结区也有电场，但结区的载流子浓度介于两侧的浓度之间。

没有单向导电性。

半导体器件物理(1)4-4 BJT 最大功耗、二次击穿与安全工作区半导体器件物理(I)第4章BJT功率特性功率BJT 即使工作电流未超过发射极条长允许的最大电流值、同时工作电压也未超过击穿电压BV CEO ，但是如果功耗过大或者发生二次击穿，也会导致器件的烧坏。

半导体器件物理(I)第4章BJT功率特性1. BJT 功耗与结温(1) BJT 器件功耗包括：EB 结上功耗I E V BE由于串联电阻R E 很小，流过R B 上的电流I B 很小，R C 上压降远小于V CB 4-4 BJT 最大功耗、二次击穿与安全工作区一、BJT 热阻与最大功耗因此BJT 主要功耗为结上功耗：P C ≈I C V CB +I E V BE ≈I C V CE串联电阻R E 、R B 、R C 上功耗BC 结上功耗I C V CB半导体器件物理(I)第4章BJT功率特性1. BJT 功耗与结温(2) BJT 器件结温结上产生的功耗P C 将导致结温T j 上升4-4 BJT 最大功耗、二次击穿与安全工作区一、BJT 热阻与最大功耗称为热阻，反映了热传递的难易程度。

→结与环境之间存在温差，产生热的传导传递的热流P Td 正比于结温与环境温度之差(T j -T amb )：j amb Td j amb(T T )P式中：j amb半导体器件物理(I)第4章BJT功率特性1. BJT 功耗与结温(3)稳定结温T j稳定时，结温T j 达到稳定值保持不变，使得功耗P C 通过热流全部散发，即4-4 BJT 最大功耗、二次击穿与安全工作区一、BJT 热阻与最大功耗则结温达到稳定值为：C Td P =P j amb j amb(T T )j C j amb ambT P T 显然，对一定的功耗P C ，热阻越小，由于散发热量能力越强，结温越低。

半导体器件物理(I)第4章BJT功率特性2. 最高允许结温与最大功耗(1) BJT 最高允许结温T jmax器件内部温度过高，本征载流子浓度将急剧增加，使得掺杂浓度较低的区域接近成为本征半导体，导致器件性能变差甚至失去器件功能此外温度过高对器件的可靠性也会产生明显不利影响4-4 BJT 最大功耗、二次击穿与安全工作区一、BJT 热阻与最大功耗对Si 半导体器件，通常将控制在(150~200) ℃范围。