双极型功率晶体管

功率晶体管类型

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。

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