双极型功率晶体管(bipolar power transistor)最普及的一种功率晶体管,通常简称功率晶体管。 其中大容量型又称巨型晶体管,简称GTR。功率晶体管一般为功率集成器件,内含数十至数百个晶体管单元。
简介
通常简称功率晶体管。其中大容量型又称巨型晶体管,简称GTR。功率晶体管一般为功率集成器件,内含数十至数百个
晶体管单元。如图1是功率晶体管的符号,其上e、b、c分别代表发射极、基极和集电极。按半导体的类型,器件被分成NPN型和PNP型两种,硅功率晶体管多为前者。
结构及工作原理
结构
如图2是普通NPN型器件局部结构的剖面。图中1为发射区,2为基区,3为集电区,4为发射结,5为集电结。
工作原理
图3是其工作原理(对于PNP型器件,则需要将两组电源极性反接),其中基极加0。6V左右的正向偏压,集电极加高得多的反向偏压(数十至数百伏)。发射结通过的电流,是由发射区注入到基区的电子形成的,这些电子的小部分在基区与空穴复合成为基极电流Ib,其余大部分均能扩散到集电结而被其电场收集到集电区,形成集电极电流Ic。
输出特性
图4是与图3相对应的器件的共发射极输出特性,它反映了器件的基极控制作用及不同的Ib下,Ic与Vce之间的关系。从图4中看出,特性曲线明显分成3个区。在线性区,Ic与Ib成比例并受其控制,器件具有放大作用(倍数β=Ic/Ib);在截止区,器件几乎不导电;在饱和区,器件的饱和压降仅在1~2V上下(因饱和区VCE太小,集电结电子收集效率很低,器件失去放大作用)。
直流安全工作区
晶体管的直流安全工作区边界一般由三部分组成,即最大额定电流ICM,最高电压VCEO。和峰值结温等于最高允许结温(例如200℃)时的VCE~IC曲线组成,如图1所示。
其中一、二两部份意义是明显的,人们主要关心的是第三部份。这一部份曲线上的VCEIC乘积一般都随VCE提高而下降。人们通常用二次击穿来解释这现象。我们观察正常功率晶体管的红外扫描温度分布曲线,一般都看到很规律的温度分布,且随集电极电压升高,同样功耗时红外热象仪上的热区逐渐向器件中心收缩,四周温度逐步降低,中心温度逐步升高,因此也可从计算峰值结温随工作点变化来解释安全区的这一段曲线。
进展和应用
20世纪50~60年代,功率晶体管主要是锗合金管。它制作简单,但耐压不高(几十伏),开关频率也较低(十几千赫)。80年代的大功率高压器件大都为硅平面管,用二次扩散法制得。其中GTR的容量是所有功率晶体管中最大的,80年代中期已有600A/150V、400A/550V、50A/1000V等几种。GTR的开关频率上限大致为100千赫。
功率晶体管广泛应用于各种中小型
电力电子电路作开关使用。GTR可用在如变频器、逆变器、斩波器等装置的主回路上。由于GTR无须换流回路,工作频率也可比晶闸管至少高10倍,因此它能简化线路,提高效率,在几十千瓦的上述装置中可以取代晶闸管。但GTR的过载能力较差,耐压也不易提高,容量较小。未采用
复合晶体管结构时,GTR的放大倍数较低(10倍上下)。比起容量较低的
功率场效应晶体管,GTR的开关频率较低(采用复合结构时,频率仅为1千赫左右)。所以,功率晶体管的应用受到一些限制。
自80年代中期以来,GTR正向大容量、复合管及模块组件化等方向发展,将在几百千瓦或更大容量的装置中取代晶体管。