第5章 晶体管功率特性
现代电力电子技术
uL
u2
E
+
-
触发电路产生的触发脉冲须满足下列要求： 足够的功率； 一定的宽度； 与主电路同步； 一定的移相范围。
产生的方式： 单结晶体管触发电路； 集成触发电路。
1
2
第3节 晶闸管触发电路
一、单结晶体管触发电路
等效电路
E
B2
B1
RB2
RB1
管内基极 体电阻
E
（发射极）
B2
（第二基极）
当 L >> R时， ILT在整个周期中可近似 看做直流。
5
晶闸管的中电流
IT =
IT =
平均值:
有效值:
晶闸管的选择
晶闸管电压 > （1.5 ~ 2）U2M
晶闸管电流
> （1.5）×
二、单相桥式半控整流电路
1、
电阻性负载桥式可控整流电路
（1）电路及工作原理
u2 > 0的导通路径：
u2 (A)
三、 特性与参数
1、特性
U
I
URSM
UFSM
URRM
IH
UFRM
IF
IG1=0A
IG2
IG3
IG3
IG2
IG1
>
>
正向
反向
2、主要参数
UFRM：
正向断态重复峰值电压。（晶闸管耐压值。 一般取 UFRM = 80% UFSM 。普通晶闸管 UFRM 为 100V~3000V）
URRM：反向重复峰值电压。（控制极断路时， 可以重复作用在晶闸管上的反向重复电 压。一般取URRM = 80% URSM。普通晶 闸管URRM为100V~3000V）
高频电子线路(第五章 高频功率放大器)
高频功率放大器和低频功率放大器的共同 特点都是输出功率大和效率高。
7
（3）高频功率放大器的种类
谐振功率放大器（学习重点）
特点是负载是一个谐振回路，功率放大增益可
以很大，一般用于末级； 不易于自动调谐。
宽带功率放大器（了解即可）
特点是负载是传输线变压器，可在很宽的频带
工作状态 甲类 乙类 甲乙类 丙类 丁类 半导通角 c=180° c=90° 90° ＜c＜180° c＜90° 开关状态 理想效率 50% 78.5% 50%＜h＜78.5% h＞78.5% 负 载 电阻 推挽，回路 推挽 选频回路 选频回路 应 用 低频 低频，高频 低频 高频 高频
90%~100%
由于这种周期性的能量补充，所以振荡回路能维持振 荡。当补充的能量与消耗的能量相等时，电路中就建立起 动态平衡，因而维持了等幅的正弦波振荡。
34
问题二：半流通角θc通常多大合适?
如果θc取值过大，趋向甲类放大器，则效率 太低； 如果θc取值过小，效率虽然提高了，但输出 功率的绝对值太小（因为iC脉冲太低）； 这是一对矛盾，根据实验折中，人们通常 取
gC (vB VBZ )(当vB VBZ )
外部电路关系：
vB VBB Vbm cos t
v C V CC V cm cos t
31
（4）对2个问题的解释
问题一（可能会引起同学们困惑的问题）
为什么iC的波形时有时无,而输出的波形vo却能
是连续的?
问题二（有的题目已知条件不给θc,而解题 中又需要θc ）
通过LC回路,滤去无用分量，只留下 Icm1cosωt分量
功率场效应晶体管(MOSFET)基本知识
功率场效应晶体管(MOSFET)基本知识功率场效应管(PowerMOSFET)也叫电力场效应晶体管，是一种单极型的电压控制器件，不但有自关断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点。
由于其易于驱动和开关频率可高达500kHz，特别适于高频化电力电子装置，如应用于DC/DC变换、开关电源、便携式电子设备、航空航天以及汽车等电子电器设备中。
但因为其电流、热容量小，耐压低，一般只适用于小功率电力电子装置。
一、电力场效应管的结构和工作原理电力场效应晶体管种类和结构有许多种，按导电沟道可分为P沟道和N沟道，同时又有耗尽型和增强型之分。
在电力电子装置中，主要应用N沟道增强型。
电力场效应晶体管导电机理与小功率绝缘栅MOS管相同，但结构有很大区别。
小功率绝缘栅MOS管是一次扩散形成的器件，导电沟道平行于芯片表面，横向导电。
电力场效应晶体管大多采用垂直导电结构，提高了器件的耐电压和耐电流的能力。
按垂直导电结构的不同，又可分为2种：V形槽VVMOSFET和双扩散VDMOSFET。
电力场效应晶体管采用多单元集成结构，一个器件由成千上万个小的MOSFET组成。
N沟道增强型双扩散电力场效应晶体管一个单元的部面图，如图1(a)所示。
电气符号，如图1(b)所示。
电力场效应晶体管有3个端子：漏极D、源极S和栅极G。
当漏极接电源正，源极接电源负时，栅极和源极之间电压为0，沟道不导电，管子处于截止。
如果在栅极和源极之间加一正向电压UGS，并且使UGS大于或等于管子的开启电压UT，则管子开通，在漏、源极间流过电流ID。
UGS超过UT越大，导电能力越强，漏极电流越大。
二、电力场效应管的静态特性和主要参数PowerMOSFET静态特性主要指输出特性和转移特性，与静态特性对应的主要参数有漏极击穿电压、漏极额定电压、漏极额定电流和栅极开启电压等。
1、静态特性（1）输出特性输出特性即是漏极的伏安特性。
特性曲线，如图2(b)所示。
晶体管的开关特性
上海电子信息职业技术学院
半导体器件物理
第五章 晶体管的开关特性
5.1 二极管的开关作用和反向恢复时间
利用二极管正、反向电流相差悬殊这一特 性，可以把二极管作开关使用。当开关K打向 A时，二极管处于正向，电流很大，相当于接 有负载的外回路与电源相连的开关闭合，回路 处于接通状态（开态）；若把K打向B，二极 管处于反向，反向电流很小，相当于外回路的 开关断开，回路处于断开状态（关态）。
练习
P106 1，4，5
上海电子信息职业技术学院
半导体器件物理
第五章 晶体管的开关特性
开关晶体管的工作状态
晶体管的工作状态完全由直流偏置情况决定。从共射输出
特性曲线上可以看出，随着偏置电压的不同，晶体管的工作区域 可以分为饱和区、放大区和截止区三个区域。
此外，当晶体管的发射极和集电极相互交换，晶体管处于倒 向运用状态时，也应该同样存在上述三个区域。
随着势垒区边界上的空穴和电子密度的增 加，P-N结上的电压逐步上升，在稳态即为VJ。 此时，二极管就工作在导通状态。
上海电子信息职业技术学院
半导体器件物理
第五章 晶体管的开关特性
当某一时刻在外电路上加的正脉冲跳变为负脉冲， 此时，正向时积累在各区的大量少子要被反向偏置电压 拉回到原来的区域，开始时的瞬间，流过P-N结的反向 电流很大，经过一段时间后，原本积累的载流子一部分 通过复合，一部分被拉回原来的区域，反向电流才恢复 到正常情况下的反向漏电流值IR。正向导通时少数载流 子积累的现象称为电荷储存效应。二极管的反向恢复过 程就是由于电荷储存所引起的。反向电流保持不变的这 段时间就称为储存时间ts。在ts之后，P-N结上的电流到 达反向饱和电流IR，P-N结达到平衡。定义流过P-N结 的反向电流由I2下降到0.1 I2时所需的时间为下降时间tf。 储存时间和下降时间之和（ts+tf）称为P-N结的关断时 间（反向恢复时间）。
第五章 双极型晶体管开关特性
16
§5.2 晶体管的开关作用
1. 晶体管的三个状态及开关作用
集电极饱和电流 饱和度 过驱动因子 饱和压降
将t t r时Q 0条件代入式（ 12） 5 t r p ln( Ir I f Ir If I f Ir ) )
9
t f p ln(1
§5.1 p-n结二极管的开关特性
4. 薄基区二极管中的贮存电荷
1. p-n结二极管的两个状态和开关 作用 2. 电荷贮存效应 3. 反向恢复时间的计算 5. 缩短反向恢复时间的措施
26
§5.3 晶体管的开关过程和开关时间
1. 电荷控制理论
QB n 将稳态下基区贮存的 定义基极时间常数 B IB 少子电荷与相应的基极电流联系起来。 QB 集电极时间常数 C IC QB 发射极时间常数 E IE
称为电荷控制参数，其相互关系及数值与器件本身参数有关
第五章 二极管和双极型晶体管的 开关特性
1 P-N结 2 直流特性
本章介绍二极管和晶体管的开关作用、开 关过程，并讨论晶体管开关特性与其基本 电学参数之间的关系，从而为设计和应用 开关管提供必要的理论根据。
3 频率特性
4 功率特性 5 开关特性
（6，7结型和绝 缘栅场效应晶体 管）
§5.1 p-n结二极管的开关特性 §5.2 晶体管的开关作用 §5.3 晶体管的开关过程和开关时间 §5.4 开关晶体管的正向压降和饱和
饱和区
直流负载线 Vce Vcc RL I c
功率场效应晶体管(MOSFET)特性与驱动电路研究
功率场效应晶体管(MOSFET)特性与驱动电路研究一．实验目的：1．熟悉MOSFET主要参数的测量方法2．掌握MOSEET对驱动电路的要求3．掌握一个实用驱动电路的工作原理与调试方法二．实验内容1．MOSFET主要参数：开启阀值电压V GS(th),跨导g FS,导通电阻R ds输出特性I D=f（Vsd）等的测试2．驱动电路的输入,输出延时时间测试.3．电阻与电阻、电感性质载时，MOSFET开关特性测试4．有与没有反偏压时的开关过程比较5．栅-源漏电流测试三．实验设备和仪器1．MCL-07电力电子实验箱中的MOSFET与PWM波形发生器部分2．双踪示波器3．毫安表4．电流表5．电压表四、实验线路见图2—2五．实验方法1．MOSFET主要参数测试（1）开启阀值电压V GS(th)测试开启阀值电压简称开启电压，是指器件流过一定量的漏极电流时（通常取漏极电流I D=1mA)的最小栅源电压。
在主回路的“1”端与MOS 管的“25”端之间串入毫安表，测量漏极电流I D，将主回路的“3”与“4”端分别与MOS 管的“24”与“23”相连，再在“24”与“23”端间接入电压表, 测量MOS 管的栅源电压Vgs ，并将主回路电位器RP 左旋到底，使Vgs=0。
将电位器RP 逐渐向右旋转，边旋转边监视毫安表的读数，当漏极电流I D =1mA 时的栅源电压值即为开启阀值电压V GS （th ）。
读取6—7组I D 、Vgs ，其中I D =1mA 必测，填入表2—6。
（2）跨导g FS 测试双极型晶体管（GTR ）通常用h FE （β）表示其增益，功率MOSFET 器件以跨导g FS 表示其增益。
跨导的定义为漏极电流的小变化与相应的栅源电压小变化量之比，即g FS =△I D /△V GS 。
典型的跨导额定值是在1/2额定漏极电流和V DS =15V 下测得，受条件限制，实验中只能测到1/5额定漏极电流值。
根据表2—6的测量数值，计算g FS 。
晶体管的特性与应用
特性
适用范围
超快速二极管
反向恢复时间较短，正向压降 主要应用在开关电源中作高 较低，反向击穿电压（耐压值） 频整流、续流元件，高频电 较高 路中的限幅、嵌位等
萧特基二极管 耐压比较低，反向漏电流比 主要应用在高频低压电路
较大，反向恢复时间较短， 开关损耗小 中
整流二极管
允许通过的电流比较大，反 广泛应用于处理频率不高 向击穿电压比较高，但PN结 的电路中 电容比较大
限幅元件
正向压降基本保持不变（硅管为0.7V，锗管为 0.3V）。利用这一特性，在电路中作为限幅元 件，可以把信号幅度限制在一定范围内。用于 电压波动较大的地方。
UPS中电压波动较大的地 方有市电侦测，电池电压 侦测，温度侦测等，所以 在送入单片机检测端时须 限幅，厂内一般使用 IN4148( 0.15A 75V) 、作为 限幅元件。
1 2 3
三极管的特性与应用
晶体三极管又称双极器件（Bipolar Junction Transistor,用BJT表示），它的基本组成部分是 两个靠得很近且背对背排列的PN结。根据排列 的方式不同，晶体三极管分为NPN和PNP两种 类型。晶体三极管和晶体二极管一样都是非线 性器件，但它们的主要特性却截然不同。晶体 二极管的主要特性是单向导电性，而晶体三极 管的主要特性则与其工作模式有关。
肖特基二极管其主要特点是正向导通压降小 （约0.45V），反向恢复时间短和开关损耗小， 存在的问题是耐压比较低，反向漏电流比较大。 目前应用在功率变换电路中的肖特基二极管的 大体水平是耐压在150V以下，平均电流在 100A以下，反向恢复时间在10～40ns。肖特基 二极管应用在高频低压电路中，是比较理想的。
晶体管开关损耗 △P ＝ ic * uc
《功率场效应晶体管》课件
太阳能逆变器是太阳能发电系 统中的重要组成部分，而功率 场效应晶体管在太阳能逆变器 中也有着广泛的应用。
06
未来功率场效应晶体管的发展趋势与挑战
技术发展趋势
01
更高频率
随着电子设备对速度和效率的需求增加，功率场效应晶体管将向更高频
率的方向发展，以满足更快的开关速度和更高的工作频率。
02
集成化与模块化
在太阳能逆变器中的应用
01
02
03
04
太阳能逆变器是太阳能发电系 统中的重要组成部分，而功率 场效应晶体管在太阳能逆变器 中也有着广泛的应用。
太阳能逆变器是太阳能发电系 统中的重要组成部分，而功率 场效应晶体管在太阳能逆变器 中也有着广泛的应用。
太阳能逆变器是太阳能发电系 统中的重要组成部分，而功率 场效应晶体管在太阳能逆变器 中也有着广泛的应用。
机运行状态的实时监测和控制。
在电动车中的应用
随着电动车的普及，功 率场效应晶体管在电动 车中的应用也日益广泛 。
电动车的电池管理系统 、电机控制器和充电桩 等关键部件中都离不开 功率场效应晶体管。
功率场效应晶体管在电 动车中的应用主要涉及 电池的充放电管理、电 机驱动和控制、能量回 收等方面。
通过使用功率场效应晶 体管，可以实现电动车 的高效、安全和可靠运 行，提高其续航里程和 性能。
降。
04
功率场效应晶体管的优缺点
优点
高效率
功率场效应晶体管在开关状态时具有很高的转换 效率，能够有效地减少能量损失。
低噪声
在信号传输过程中，功率场效应晶体管产生的噪 声较低，提高了信号的信噪比。
高速
由于其内部结构特点，功率场效应晶体管具有较 快的开关速度，适用于高频电路。
晶体管的频率特性与功率特性
集电区衰减因子αc
c
i ncc i nc (x m )
集电极输出电流ic应该等于从发射极传输过 来的电子电流incc和集电结反向电流ipc之和。
i c i ncc i pc
集电区倍增因子α*
* ic
i nc c
反向电流ipc一般很小，但当集电区电阻 较大时，输运至集电区的电子电流在体电阻 上产生漂移电场，而漂移电场会使反向空穴 电流增大，从而减小了有效电子电流incc。
（使集电区倍增因子变小）
共基极交流短路电流放大系数α
ic ine inc (0)
ie ie ine
*
在各个传输过程中，由于结电容对传输电 流的分流作用，使传输电流的幅值减小，对电 容充放电所产生的延迟时间，使输出信号同输 入信号间存在相位差（延迟或不同步）。
交流放大系数α是复数，其幅值随着
m 超相移因子（剩余相因子）
ωb 基区渡越截止频率
集电结空间电荷区输运系数
d
1
1
j
d
τd 集电结空间电荷区延迟时间
集电区衰减因子
c
1
1
j
c
集电极延迟时间
τc=rcsCTc
rcs 集电区串联电阻 CTc 势垒电容
共基极短路交流电流放大系数α和截止频率 f
将以上各个系数的表达式代入α表达式
jm
当 f f m 时，晶体管停止振荡。
共基极短路电流放大系数与频率的关系
1. 共基极交流短路电流放大系数的 定性分析
2. 共基极交流短路电流放大系数的 定量分析（略）
3. 共基极交流短路电流放大系数α
和截止频率 f
定性分析
第五章-微波晶体管放大器和振荡器
5.2.2微波场效应晶体管
微波场效应晶体管有以下三种 •金属—半导体 MESFET •PN结场效应管 JFET •绝缘栅场效应管 IGFET 以砷化镓或磷化铟N沟道MESFET的微波性能最佳，这种器件也 叫肖特基势垒栅场效应管 1.微波场效应管的结构、工作原理和等效电路
Ls
L
Ld
Vd
Vg
制作过程：在本征砷化镓材料作衬底，电阻率为108Ω.cm，基本为 绝缘体，在衬底上生长一层厚度约0.15μm到0.35μm的n型外延 层，称为沟道，在沟道上方制作源极、栅极和漏极，源极和漏极 的金属与n型砷化镓接触形式为欧姆接触，栅极金属和n型半导体 形成肖特基势垒 在n型半导体内部形成一层载流子完全耗尽的薄层，该耗尽层 的作用就像一个绝缘区，它压缩了n层中供电流流动的面积，当在 栅极增加负压Vg时，内建电场与外加电场方向相同，耗尽层变 宽，沟道的厚度变薄，变薄的程度受到栅极反向电压的控制，如 果不断增加负栅压，当达到某一值-Vp时，沟道厚度变为零，即沟 道被耗尽层夹断了，这时的栅压-Vp称为夹断电压 在如果不加栅压，当加漏电压Vd时，沟道中有电流流过，由 于沟道有一定的电阻，因此沟道中就产生电压降，从源极到漏极 的电位越来越高，这时如果将源极和栅极相连，该电压就会作用 到栅极和n沟道之间的结上，而且是反偏的，故会使耗尽层变厚， 沟道变薄，由于该电压是沿沟道分布的，因而在栅极有效控制范 围内，漏端电压较大，耗尽层较宽，可见源端电压较小，耗尽层 较薄，即耗尽层沿沟道的分布是不均匀的。
单位为欧姆
当微波晶体管的直流电流增益 h fe > 10( f / fT ) 时，利用上式 计算的误差较小
由上式可见，为了降低噪声系数，应该提高 fT ，降低基极电 阻 rb′ ，但是由于噪声系数是集电极电流 I c 的函数，集电极 电流降低，会使集电极和基极电流产生的散弹噪声降低，但 同时会使 re 减小，将导致发射结的充电时间 τ e 增大，从而 使 fT 降低，因此集电极电流有一个最佳值，使噪声系数最 小，对于小信号低噪声微波双极晶体管，该最佳噪声电流一 般为1~3mA 噪声系数的典型曲线
第5章场效应管放大电路分析
如果接有外负载RL
Rg1
Rd d Vo
g sb
RL
Vi Rg2
Rg3 R
AV gm (Rd // RL )
Ri Rg3 Rg1 // Rg 2
g
Vi
Rg3 gmVgs R’g
d Rd Vo RL
Ro Rd
s R’g=Rg1//Rg2
27
源极电阻上无并联电容:
AV
Vo Vi
Vgs
gmVgs Rd gmVgs R
10
(2) 转移特性曲线 iD= f (vGS)|vDS= 常数
表征栅源电压vGS对漏极电流的控制作用， 场效应管是电压控制器件。
在饱和区内，FET可看
作压控电流源。
IDSS
转移特性方程：
iD=IDSS(1-vGS/VP)2
vGS VP- 0.8 – vG
0.4
S
11
（3）主要参数
夹断电压：VP 当导电沟道刚好完全被关闭时，栅源所对应的电
s
gd
N+ PN+
18
3 、特性曲线
4区：击穿
区
3区
截止区
vGS<V
T
vGD<V
T
VT
1区：可变电阻区: vGS>VT vGD>VT 沟道呈电阻性，iD随vDS
的增大而线性增大。
iD=0 2区：恒流区(线性放大区）
vGS>VT vGD<VT iD=IDO｛(vGS/VT)-1｝2 IDO是vGS=2VT时，iD的值。
VT R
g
m
(VT
)
VT R
VT
(gm
1) R
功率场效应晶体管(MOSFET)的工作原理、特性及主要参数
功率场效应晶体管（MOSFET）的工作原理、特性及主要参数功率场效应晶体管（Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）。
其特点是：属于电压型全控器件、栅极静态内阻极高（109Ω）、驱动功率很小、工作频率高、热稳定性好、无二次击穿、安全工作区宽等；但MOSFET的电流容量小、耐压低、功率不易做得过大，常用于中、小功率开关电路中。
MOSFET的结构和工作原理1.MOSFET的结构MOSFET和小功率MOS管导电机理相同，但在结构上有较大的区别。
小功率MOS管是一次扩散形成的器件，其栅极G、源极S和漏极D在芯片的同一侧。
而MOSFET主要采用立式结构，其3个外引电极与小功率MOS管相同，为栅极G、源极S和漏极D，但不在芯片的同一侧。
MOSFET的导电沟道分为N沟道和P沟道，栅偏压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型，栅偏压大于零（N沟道）才存在导电沟道的称为增强型。
MOSFET的电气符号如图1所示，图1（a）表示N沟道MOSFET，电子流出源极；图1（b）表示P沟道MOSFET，空穴流出源极。
从结构上看，MOSFET还含有一个由S极下的P区和D极下的N区形成的寄生二极管，该寄生二极管的阳极和阴极就是MOSFET的S极和D极，它是与MOSFET不可分割的整体，使MOSFET无反向阻断能力。
图1中所示的虚线部分为寄生二极管。
图1 MOSFET的电气符号2.MOSFET的工作原理（1）当栅源电压uGS=0时，栅极下的P型区表面呈现空穴堆积状态，不可能出现反型层，无法沟通漏源极。
此时，即使在漏源极之间施加电压，MOS管也不会导通。
MOSFET结构示意图如图2（a）所示。
图2 MOSFET结构示意图（2）当栅源电压uGS＞0且不够充分时，栅极下面的P型区表面呈现耗尽状态，还是无法沟通漏源极，此时MOS管仍保持关断状态，如图2（b）所示。
第五章 MOS场效应管的特性
1 1 C C C Si ox
1
+
N+ N+ N+
G N+ N+
以SiO2为介质的电容器—Cox 以耗尽层为介质的电容器—CSi
MOS管的电容
MOS电容—束缚电荷层厚度
耗尽层电容的计算方法同 PN 结的耗尽层电容的计算 方法相同，利用泊松方程
2
1
Si
Q qNAWL X p WL 2 Si qNA
CD = Cdb + 0 + Cdb
1 W 2 I ds Vgs VT 2 tox L L
MOS管的电容
深亚微米CMOS IC工艺的寄生电容
21 40 86 9 15 48 36 14
Metal3 Metal2 Metal1
29 38 39 62 46
在耗尽层中束缚电荷的总量为
2 Si Q qNA X pWL qN AWL WL 2 Si qNA q NA
是耗尽层两侧电位差的函数，耗尽层电容为
dQ 1 CSi WL 2 Si qNA dv 2
1 2
Si qNA WL 2
是一个非线性电容，随电位差的增大而减小。
这时，栅极电压所感应的电荷Q为，
Q=CVge 式中Vge是栅极有效控制电压。
MOS管特性
电荷在沟道中的渡越时间
非饱和时（沟道未夹断），在漏源电压Vds作用 下，这些电荷Q将在时间内通过沟道，因此有
L L2 Eds Vds L
为载流子速度，Eds= Vds/L为漏到源方向电场强度，Vds为漏 到源电压。 为载流子迁移率： n n µ n = 650 cm2/(V.s) 电子迁移率(NMOS) µ p = 240 cm2/(V.s) 空穴迁移率(PMOS)
晶体管简介及特性
晶体管简介及特性一、BJT的结构简介BJT又常称为晶体管，它的种类很多。
按照频率分，有高频管、低频管；按照功率分，有小、中、大功率管；按照半导体材料分，有硅管、锗管；根据结构不同，又可分成NPN型和PNP型等等。
但从它们的外形来看，BJT都有三个电极。
它是由两个 PN结的三层半导体制成的。
中间是一块很薄的P型半导体(几微米~几十微米)，两边各为一块N型半导体。
从三块半导体上各自接出的一根引线就是BJT的三个电极，它们分别叫做发射极e、基极b和集电极c，对应的每块半导体称为发射区、基区和集电区。
虽然发射区和集电区都是N型半导体，但是发射区比集电区掺的杂质多。
在几何尺寸上，集电区的面积比发射区的大，这从图3.1也可看到，因此它们并不是对称的。
二、BJT的电流分配与放大作用1、BJT内部载流子的传输过程BJT工作于放大状态的基本条件：发射结正偏、集电结反偏。
在外加电压的作用下， BJT内部载流子的传输过程为：（1）发射极注入电子由于发射结外加正向电压VEE，因此发射结的空间电荷区变窄，这时发射区的多数载流子电子不断通过发射结扩散到基区，形成发射极电流IE，其方向与电子流动方向相反。
（2）电子在基区中的扩散与复合由发射区来的电子注入基区后，就在基区靠近发射结的边界积累起来，右基区中形成了一定的浓度梯度，靠近发射结附近浓度最高，离发射结越远浓度越小。
因此，电子就要向集电结的方向扩散，在扩散过程中又会与基区中的空穴复合，同时接在基区的电源VEE的正端则不断从基区拉走电子，好像不断供给基区空穴。
电子复合的数目与电源从基区拉走的电子数目相等，使基区的空穴浓度基本维持不变。
这样就形成了基极电流IB，所以基极电流就是电子在基区与空穴复合的电流。
也就是说，注基区的电子有一部分未到达集电结，如复合越多，则到达集电结的电子越少，对放大是不利的。
所以为了减小复合，常把基区做得很薄 (几微米)，并使基区掺入杂质的浓度很低，因而电子在扩散过程中实际上与空穴复合的数量很少，大部分都能能到达集电结。
场效应晶体管的特点
场效应晶体管的特点场效应晶体管（Field Effect Transistor，简称FET）是一种三端口器件，主要由栅极、漏极和源极组成。
它是一种电子元件，其基本原理是通过外加的电场控制载流子的流动。
以下是场效应晶体管的特点。
1.高输入阻抗：场效应晶体管的栅极和源极之间存在很高的电阻，使其具有高输入阻抗。
这意味着场效应晶体管对输入信号具有很高的灵敏度，并且能够减少对输入信号的负载。
2.高增益：场效应晶体管具有较高的电流放大系数，也称为增益。
通过控制栅极上的电压，可以调整晶体管的工作点，从而实现信号的放大。
3.低噪声：与双极晶体管相比，场效应晶体管的噪声更低。
这是因为场效应晶体管不涉及载流子注入和抽取的物理过程，减少了噪声的产生。
4.低驱动电压：与双极晶体管相比，场效应晶体管所需的驱动电压较低。
这使得场效应晶体管更适合于低电压的集成电路设计。
5.大功率处理能力：场效应晶体管能够处理大功率信号。
与双极晶体管相比，场效应晶体管在功率放大方面具有更好的性能。
6.高频特性：场效应晶体管在高频应用中表现良好。
它们具有较大的开关频率，使它们成为射频放大器和高速开关的理想选择。
7.可控性好：场效应晶体管的漏极电流可以通过改变栅极到源极电压来调节。
这种可控性使其在电子开关和调节电路中非常有用。
8.可制成大规模集成电路：场效应晶体管可以使用微电子工艺制作成大规模集成电路（VLSI）。
这意味着可以将几十亿个晶体管集成到一个小芯片上，大大提高了电路的集成度和性能。
9.低功耗：由于晶体管的结构和工作原理，场效应晶体管的功耗较低。
这是因为在不改变晶体管的工作状态时，它几乎不消耗电流。
10.温度稳定性好：场效应晶体管在温度变化下的工作性能较为稳定。
与其他电子元件相比，它对温度的变化不太敏感。
总体而言，场效应晶体管具有高输入阻抗、高增益、低噪声、低驱动电压、大功率处理能力、高频特性、可控性好、可制成大规模集成电路、低功耗和温度稳定性好等特点。
第5章 电力晶体管GTR
基极之间的二极管VD7来实现。当GTR导通后，E点电位低于D点电位时，
VD7导通。由于VD7的分流作用使VT5的基极电流下降，导致GTR的基极
驱动电流下降，GTR饱和程度减小，进而又使E点电位回升。由于VD7的
管压降与VT5发射结压降近似相等，所以通过以上的自动调节过程使GTR
的
U，ce即 U在be0.7V左右，由此来保证GTR工作于准饱和区。
ts
tf
• 负面作用是会使集电极和发射极间 的饱和导通压降Uces增加，从而增 大通态损耗。
1 0 %Ics 0
t0 t1 t2
t3
t4 t5
t
• GTR的开关时间在几微秒以内，比 图5.3 GTR的开通和图1关-17断过程电流波形
晶闸管和GTO都短很多 。Fra bibliotek5.3
GTR的主要参数
前已述及：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射
hFE 。
➢ 单管GTR的 值比小功率的晶体管小得多，通常为10
左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。
5.2
GTR的基本特性
(1) 静态特性
➢ 共发射极接法时的典型 输出特性：截止区、放 大区和饱和区。
➢ 在电力电子电路中GTR 工作在开关状态，即工 作在截止区或饱和区
➢ 在开关过程中，即在截 止区和饱和区之间过渡 时，要经过放大区
VD 1
C
A
VD 2 VD 3 B
GTR
E
VD 4
图5.5 贝克钳位电路
➢ 二极管VD1称为钳位二极管，它相当于一个溢流阀的作用，使过量的输 入驱动电流不会全部流入GTR的基极，而经VD1分路至GTR的集电极一 部分，从而保证GTR始终处于准饱和状态。
电力电子学中的新型功率器件开发与应用
电力电子学中的新型功率器件开发与应用第一章：引言近年来，随着电力电子技术的不断发展，人们对功率器件的需求也越来越高。
传统的功率器件存在着诸多问题，如体积大、效率低、损耗大等。
为了解决这些问题，科学家们在电力电子学领域进行了大量的研究，并取得了一系列新型功率器件的突破性进展。
本文将对几种新型功率器件的开发与应用进行介绍和分析。
第二章：功率金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）MOSFET是一种常用的功率器件，具有开关速度快、体积小、效率高等优点。
近年来，科学家们对MOSFET进行了深入研究，提出了一系列改进措施。
比如，采用了新型材料制作源漏极，提高了MOSFET的承受电流能力；同时，通过优化结构设计，降低了导通压降，提高了整体效率。
这些改进使得MOSFET在电力电子领域的应用更加广泛，如电力转换器、变频器等。
第三章：功率绝缘栅双极晶体管（IGBT）IGBT是一种特殊结构的功率器件，具有晶体管和MOSFET的特点，被广泛应用于交流电源和直流电源的开关状态。
近年来，科学家们在IGBT的制造过程中加入了阳极氧化和金属隧道结等先进技术，使得IGBT的开关速度更快，损耗更小，功率密度更高。
因此，IGBT在工业自动化、电机驱动等领域发挥着重要作用。
第四章：功率射频二极管（RF Power Diode）功率射频二极管是一种专门用于射频功率放大的器件，具有高频特性和功率特性。
在通信设备、雷达系统以及无线电频率限制器中，功率射频二极管被广泛使用。
为了提高射频功率二极管的性能，科学家们不断优化其结构和制造工艺。
例如，采用氮化硅材料制造功率射频二极管，提高了其工作频率和功率密度，大大改善了器件的性能。
第五章：功率场效应晶体管（VDMOS）功率场效应晶体管是一种专门用于高压、高功率应用的器件。
科学家们通过优化VDMOS的结构和工艺，提高了其开关速度和耐压能力。
在电力电子领域，VDMOS广泛应用于直流电源和逆变器等设备中，取得了显著效果。
功率晶体管(GTR)的特性
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。
晶体管耗散功率
晶体管耗散功率晶体管耗散功率是晶体管在工作过程中转换、耗散能量的重要参数，对于电子设备的热设计和性能评估具有至关重要的作用。
晶体管作为现代电子设备中的核心元件，其功率耗散特性直接影响着设备的稳定性、可靠性和寿命。
晶体管耗散功率的概念晶体管耗散功率通常指的是晶体管在工作时由于电压和电流的乘积所产生的功率损耗。
这部分功率最终会转换为热能，如果无法有效地散发出去，将会导致晶体管温度升高，进而影响其性能和稳定性。
因此，了解和掌握晶体管耗散功率的计算方法和影响因素，对于合理设计电路和散热系统至关重要。
晶体管耗散功率的计算晶体管耗散功率的计算一般基于其工作电压和电流。
对于不同类型的晶体管（如双极型晶体管BJT和场效应晶体管FET），其功率耗散的计算方式可能有所不同。
但基本原理都是根据晶体管的伏安特性，即电压与电流的乘积来计算功率。
例如，在一个简单的共射极放大电路中，BJT的耗散功率可以通过集电极电流和集电极-发射极电压的乘积来计算。
FET的耗散功率则通常考虑漏极电流和漏极-源极电压的乘积。
这些计算需要在实际电路条件下进行，考虑到工作点的变化和温度的影响。
晶体管耗散功率的影响因素晶体管耗散功率的大小受多种因素影响，包括但不限于以下几点：工作条件：晶体管的工作电压和电流直接影响其功率耗散。
工作在高电压或大电流下的晶体管将会有更大的功率损耗。
环境温度：环境温度对晶体管的功率耗散有显著影响。
随着环境温度的升高，晶体管的散热能力下降，功率耗散能力也会降低。
封装类型：不同类型的封装对晶体管散热性能有很大影响。
良好的封装设计可以有效地提高散热效率，从而降低晶体管的温度和提升其功率处理能力。
热阻：热阻是描述晶体管散热性能的重要参数。
它表示了晶体管内部产生的热量传递到外部环境的难易程度。
热阻越小，散热性能越好。
工作频率：在高频工作时，晶体管的开关损耗会增加，从而导致总的功率耗散增加。
晶体管耗散功率与热设计由于晶体管耗散功率最终会转化为热能，因此热设计是电子设备设计中不可或缺的一部分。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
湖南大学电子科学与技术专业
1
晶体管功率特性
电子器件基础
第5章 晶体管功率特性
第1节 基区电导调制效应 第2节 有效基区扩展效应 第3节 发射极电流集边效应 第4节 晶体管最大耗散功率 第5节 晶体管二次击穿和安全工作区
2
晶体管功率特性
电子器件基础
本章要求：
掌握双极型晶体管大注入效应、基
pb p pb nb N B nb
KT E q
1 dN B 1 dnb N B nb dx N B nb dx
11
晶体管功率特性
小注入时： （nb << NB） 大注入时： （nb ～ NB）
电子器件基础
KT 1 dN B E Eb q N B dx
n0 I nEWb N B AqDnb N B
1 1 I nEWb 大注入时： a bv a b 0 2 2 AqDnb N B
随工作电流增大，β0 线性下降
21
1
晶体管功率特性
电子器件基础
3 大注入对基区渡越时间的影响
载流子基区渡越时间：
b
Wb
o
qnb ( x) dx J nE
大注入均匀基区晶体管： I nb AqDn 1
nb dnb N B nb dx
n0 n0 I nE I nb (0) AqDn 1 N B n0 Wb
18
晶体管功率特性
基区注入发射区的空穴电流：
电子器件基础
I pE
dp pe (0) AqDpe AqD pe dx We
极限参数：最高电压，最大电流，最大耗散 功率，二次击穿；
极限参数限制晶体管的安全工作区。
4
晶体管功率特性
电子器件基础
第1节 基区电导调制效应
1 基区载流子分布
晶体管放大工作： VBE>0 VBC<0 发射区电子向基区注入， 基区少子（电子）浓度增 加； 电中性要求多子（空穴） 浓度等量增加，由基极正 电源提供。
2 大注入对电流放大系数的影响
IC I nE 共射低频电流放大系数： 0 I B I pE IVR I SR
式中 IC I nC ICBO I nE IVR ICBO I nE 基区载流子线性分布近似，取平均值：
n0 0 1 nb x n0 2 2
大注入：nb ～ ppb nb >>npb pb= ppb+ nb >> ppb 基区多子浓度大大增 加，电阻率下降—— 基区电导调制。
ppb
npb
小注入：VBE>0 VBC<0 大注入：VBE>>0 VBC<0
6
晶体管功率特性
电子器件基础
平衡时基区电阻率： b q p q N pb pb pb B 晶体管放大工作时基区电阻率：
25
晶体管功率特性
电子器件基础
当场强大于104V/cm时，载流子以极限饱和 漂移速度 υS 运动； 流过集电结的电流密度为电子漂移电流密度：
JC J C J nC qS nc nc qS 代入一维泊松方程并求解得：
E （N） B （P）
pb pb nb nb npb ppb
C （N ）
小注入：VBE>0 VBC<0 大注入：VBE>>0 VBC<0
5
晶体管功率特性
电子器件基础
小注入：nb << ppb nb >> npb pb= ppb+ nb≈ ppb
E （N）
B （P） pb pb nb nb
C （N）
均匀基区晶体管小注入时：
x x J nEWb nb ( x ) (1 )n0 (1 ) Wb Wb qDnb
Wb2 基区渡越时间： b 2Dnb
22
晶体管功率特性
大注入时，均匀基区和缓变基区均为：
电子器件基础
1 x x J nEWb nb ( x ) (1 )n0 (1 ) 2 Wb Wb 2qDnb
9
晶体管功率特性
电子器件基础
大注入自建电场的作用
对多子（空穴）： 电场E 的漂移作用与浓度 梯度的扩散作用相反，即 E 阻碍空穴的进一步扩散， 达到动态平衡时，基区空 穴为稳定分布。 对少子（电子）： 电场E 的漂移作用与浓度 梯度的扩散作用相同，即 E加速电子的扩散。
N+ E P pb
○
EC N
发射区中发射结边界处少子浓度：
pe (0) pb (0)eqVBE / KT NB n0 eqVBE / KT
n0 取： v NB
代入：
Wb2 SASWb a 2 2 Lnb ADnb
b
Wb D pe N B We Dnb N E
IC I nE o I B I pE IVR I SR
Wb2 Wb2 基区渡越时间： b 4 Dnb 2 2 Dnb
大注入自建电场的作用，加速注入载流子的运动，相 当于扩散系数增加一倍； 大注入时均匀基区和缓变基区的载流子分布由大注入 决定，与原基区杂质分布无关，基区电场由大注入电场 决定，载流子基区渡越时间相同。
23
晶体管功率特性
对均匀基区晶体管： dN B
dx 0
dnb nb dnb 1 J nb qDn 1 qDn 2 N n dx 1 n N b B dx B b 忽略基区复合： J nb J nB J nE J nC
边界条件： nb Wb 0
VBC KT
q
13
晶体管功率特性
电子器件基础
qDnb 两边积分可求得：x J nB
nb ) Wb 2nb N B ln(1 NB
J nBWb 即基区少子线性分布时 1 N B nb 1 x ln(1 ) 1 移项整理后得： n0 2 n0 N B 2 Wb
19
晶体管功率特性
电子器件基础
1 v a b(1 v) 0 1 2v 小注入 n0 N B v 1 1 a b 0 1
特大注入 n0 N B 0 v 1 小注入→大注入： 注入 n0 v
1
1 0 2 a bv
即缓变基区 自建电场
对均匀基区，NB为常数，E=Eb=0
NB KT 1 dnb E Eb N B nb q N B nb dx KT 1 dnb E q N B nb dx
dx dN B dx
均匀基区 Eb=0
特大注入（nb >> NB）时： dnb
KT 1 dnb E q nb dx
无论均匀基区或缓变基区，由 大注入载流子浓度决定。
12
晶体管功率特性
电子器件基础
大注入基区载流子分布
大注入时基区电子电流密度：
nb d N B nb dnb dnb J nb q n nb E qDn qDn dx N n dx dx B b
区扩展效应和电流集边效应的本质和作
用，最大耗散功率及其影响因素；
理解二次击穿机理和安全工作区。
3
晶体管功率特性
电子器件基础
功率晶体管：工作在高电压和大电流条件下， 功率1W以上的晶体管； 晶体管功率特性：大功率条件下晶体管性能 的变化，小注入近似的假设不再成立，特别是 电流增益和特征频率随电流增加而下降，用极 限参数描述；
1
1 q pb p pb
b
7
晶体管功率特性
电子器件基础
注入基区载流子的运动 发射区注入到基 区的少子（电子）在 浓度梯度作用下继续 向集电结扩散，到达 集电结的电子在集电 结反向电场EC作用下 通过集电区，形成集 电极电流。
EC N+ P pb n0 nb
●
N
ppb
npb
大注入：VBE>>0 VBC<0
电子器件基础
4 大注入临界电流密度
取临界大注入：nb ( x) N B
基区载流子线性分布近似，取平均值：
1 J nEWb nb x n0 2 2qDnb
临界大注入电流密度——大注入判据：
2qDnb N B J er Wb
即当 nb ( x) N B 时发生大注入现象， J nE J er
Wb
x
)
nb x 1 x 1 N B (0) (1 ) (e e n0 2 Wb 2 n0
n0 N B 0
Wb
x
)
nb ( x) 1 x (1 ) no 2 Wb
16
大注入时，缓变基区与均匀基区具有相同结果。
晶体管功率特性
电子器件基础
n0
ppb
nb
●
npb 大注入：VBE>>0 VBC<0
10
晶体管功率特性
电子器件基础
大注入自建电场的表示
dpb 基区空穴电流密度： J pb q p pb E qD pb dx 动态平衡时净空穴电流： J pb 0
Dp 1 dpb 自建电场： E p pb dx
Dp
KT p q
(Wb x ) J nB Wb Wb 解得： nb ( x) e 1 qDnb
15
晶体管功率特性
特大注入 nb N B 微分方程为：
电子器件基础
dnb J nB NB 0 dx 2Wb 2qDnb