雙極型功率電晶體

雙極型功率電晶體

雙極型功率電晶體（bipolar power transistor）最普及的一種功率電晶體，通常簡稱功率電晶體。 其中大容量型又稱巨型電晶體，簡稱GTR。功率電晶體一般為功率集成器件，內含數十至數百個電晶體單元。

基本介紹

  • 中文名：雙極型功率電晶體
  • 外文名：bipolar power transistor
  • 縮寫：GTR
  • 簡稱：功率電晶體
  • 實質：功率集成器件，含多個電晶體單元
  • 套用學科：物理學、儀器科學、電子工程
簡介,結構及工作原理,結構,工作原理,輸出特性,直流安全工作區,進展和套用,

簡介

通常簡稱功率電晶體。其中大容量型又稱巨型電晶體，簡稱GTR。功率電晶體一般為功率集成器件，內含數十至數百個電晶體單元。如圖是功率電晶體的符號，其上e、b、c分別代表發射極、基極和集電極。按半導體的類型，器件被分成NPN型和PNP型兩種，矽功率電晶體多為前者。
電晶體符號電晶體符號

結構及工作原理

結構

如圖圖是普通NPN型器件局部結構的剖面。圖中1為發射區，2為基區，3為集電區，4為發射結，5為集電結。
普通NPN型器件結構普通NPN型器件結構

工作原理

圖3是其工作原理（對於PNP型器件，則需要將兩組電源極性反接），其中基極加0。6V左右的正向偏壓，集電極加高得多的反向偏壓（數十至數百伏）。發射結通過的電流，是由發射區注入到基區的電子形成的，這些電子的小部分在基區與空穴複合成為基極電流Ib，其餘大部分均能擴散到集電結而被其電場收集到集電區，形成集電極電流Ic。
工作原理工作原理

輸出特性

圖4是與圖3相對應的器件的共發射極輸出特性，它反映了器件的基極控制作用及不同的Ib下，Ic與Vce之間的關係。從圖4中看出，特性曲線明顯分成3個區。線上性區，Ic與Ib成比例並受其控制，器件具有放大作用（倍數β=Ic/Ib）；在截止區，器件幾乎不導電；在飽和區，器件的飽和壓降僅在1～2V上下(因飽和區VCE太小，集電結電子收集效率很低，器件失去放大作用)。
共發射極輸出特性共發射極輸出特性

直流安全工作區

電晶體的直流安全工作區邊界一般由三部分組成，即最大額定電流ICM,最高電壓VCEO。和峰值結溫等於最高允許結溫(例如200℃)時的VCE~IC曲線組成,如圖所示。
典型的晶休管直流安全工作區典型的晶休管直流安全工作區
其中一、二兩部份意義是明顯的,人們主要關心的是第三部份。這一部份曲線上的VCEIC乘積一般都隨VCE提高而下降。人們通常用二次擊穿來解釋這現象。我們觀察正常功率電晶體的紅外掃描溫度分布曲線,一般都看到很規律的溫度分布,且隨集電極電壓升高,同樣功耗時紅外熱象儀上的熱區逐漸向器件中心收縮,四周溫度逐步降低,中心溫度逐步升高,因此也可從計算峰值結溫隨工作點變化來解釋安全區的這一段曲線。

進展和套用

20世紀50～60年代，功率電晶體主要是鍺合金管。它製作簡單，但耐壓不高（幾十伏），開關頻率也較低（十幾千赫）。80年代的大功率高壓器件大都為矽平面管，用二次擴散法製得。其中GTR的容量是所有功率電晶體中最大的，80年代中期已有600A/150V、400A/550V、50A/1000V等幾種。GTR的開關頻率上限大致為100千赫。
功率電晶體廣泛套用於各種中小型電力電子電路作開關使用。GTR可用在如變頻器、逆變器、斬波器等裝置的主迴路上。由於GTR無須換流迴路，工作頻率也可比晶閘管至少高10倍，因此它能簡化線路，提高效率，在幾十千瓦的上述裝置中可以取代晶閘管。但GTR的過載能力較差，耐壓也不易提高，容量較小。未採用複合電晶體結構時，GTR的放大倍數較低（10倍上下）。比起容量較低的功率場效應電晶體，GTR的開關頻率較低（採用複合結構時，頻率僅為1千赫左右）。所以，功率電晶體的套用受到一些限制。
自80年代中期以來，GTR正向大容量、複合管及模組組件化等方向發展，將在幾百千瓦或更大容量的裝置中取代電晶體。

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