第八章-功率晶體管和二極管要點課件

第八章功率晶體管和二極管第八章功率晶體管和二極管1引言功率電子學的發(fā)展特征是器件的發(fā)展慢速SCR->高速開關器件應用場合更為廣闊二極管/晶體管/GTR/MOS/IGBT引言功率電子學的發(fā)展特征是器件的發(fā)展2第八章功率晶體管和二極管基本要求：了解各種常用的功率晶體管和二極管的基本特性和定額參數(shù)，為設計功率電路正確選擇功率器件打下基礎學習內(nèi)容：功率二極管：大功率晶體管：GTR－大功率雙極型功率晶體管（BipolarJunctionTransitor,BJT）MOSFET－金屬氧化物半導體場效應管IGBT－絕緣柵晶體管第八章功率晶體管和二極管基本要求：3第一節(jié)功率二極管功率二極管－不可控器件PowerDiode:結構簡單．工作可靠．自20世紀50年代就獲得應用快恢復二極管和肖特基二極管：分別在中．高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位．第一節(jié)功率二極管功率二極管－不可控器件4第一節(jié)功率二極管功率二極管的工作原理基本結構和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣以半導體PN結為基礎，由一個面積較大的PN結和兩端引線以及封裝組成的第一節(jié)功率二極管功率二極管的工作原理5第一節(jié)功率二極管N型半導體和P型半導體結合后構成PN結。P區(qū)主要為空穴即為多子，N區(qū)的多子為電子；交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的擴散運動，到對方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側分別留下了帶正、負電荷－這些不能移動的正、負電荷稱為空間電荷。第一節(jié)功率二極管N型半導體和P型半導體結合后構成PN結。6第一節(jié)功率二極管

空間電荷建立的電場被稱為內(nèi)電場或自建電場，其方向是阻止擴散運動的，另一方面又吸引對方區(qū)內(nèi)的少子（對本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運動，即漂移運動。?擴散運動和漂移運動既相互聯(lián)系又是一對矛盾，最終達到動態(tài)平衡，正、負空間電荷量達到穩(wěn)定值，形成了一個穩(wěn)定的由空間電荷構成的范圍，被稱為空間電荷區(qū)，按所強調的角度不同也被稱為耗盡層、阻擋層或勢壘區(qū)。第一節(jié)功率二極管

空間電荷建立的電場被稱為內(nèi)電場或自建電場，7第一節(jié)功率二極管

當PN結外加正向電壓時，外加電場與PN結的內(nèi)電場方向相反，在外電場作用下．P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子將被吸引到耗盡層，使耗盡層變窄削弱，有利于多子擴散不利于少子漂流第一節(jié)功率二極管

當PN結外加正向電壓時，外加電場與PN結的8第一節(jié)功率二極管PN結外加反向電壓時，外加電場與PN結內(nèi)電場方向相同，在外電場的作用下，多子將離開PN結而位空間電荷區(qū)變寬，增強了內(nèi)電場，因而有利于少于的漂移而不利于多子的擴散。第一節(jié)功率二極管PN結外加反向電壓時，外加電場與PN結內(nèi)電9二極管的伏安特性PN結的理解特性二極管的伏安特性PN結的理解特性10二極管的伏安特性PN結的正向導通特性二極管的伏安特性PN結的正向導通特性11二極管的伏安特性PN結的反向偏置二極管的伏安特性PN結的反向偏置12正向特性正向特性13正向導通及反向截止PN結的正向導通狀態(tài)PN結在正向電流較大時壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN結表現(xiàn)為低阻態(tài)PN結的反向截止狀態(tài)PN結的單向導電性二極管的基本原理就在于PN結的單向導電性這一主要特征PN結的反向擊穿有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導致熱擊穿正向導通及反向截止PN結的正向導通狀態(tài)14二極管正向特性1.正向壓降隨耐壓升高而升高2.正向壓降隨溫度升高而降低3.正向壓降的負溫度系數(shù)對單個工作有利4.正向壓降的負溫度系數(shù)對并聯(lián)不利二極管正向特性1.正向壓降隨耐壓升高而升高15正向特性的負溫度特性正向特性的負溫度特性16二極管特性符號:D導通機理:PN結特性正向偏置特性反向偏置特性二極管特性符號:D17二極管的開關特性PN結是P/N型半導體結合區(qū)的空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)->內(nèi)電場->耗盡層當外加正電壓，削弱內(nèi)電場，注入電荷,形成正向電流正電壓減小時，空間電場放出電荷，內(nèi)電場增強,正向電流減小類似電容充放電,->二極管的動態(tài)特性中電容效應尤為關鍵二極管的開關特性PN結是P/N型半導體結合區(qū)的空間電荷區(qū)18二極管的電容效應(1)兩端電壓變化，內(nèi)電場重新建立,等效為Cb稱之為”墊壘電容”Cb與PN結截面積成正比,這與電容基本定義一致二極管的電容效應(1)兩端電壓變化，內(nèi)電場重新建立,等效為C19二極管的電容效應(2)二極管的電流變化,內(nèi)部存儲電荷變化空穴從P區(qū)到N區(qū)，電子從N區(qū)到P區(qū)電荷不完全復合,多余部份即為存儲電荷當電流大,存儲電荷增加；當電流小,放出電荷；表現(xiàn)出電容特性將之等效為Cd,即擴散電容二極管的電容效應(2)二極管的電流變化,內(nèi)部存儲電荷變化20PN結的電容效應：PN結的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應，稱為結電容Cj，又稱為微分電容。結電容按其產(chǎn)生機制和作用的差別分為勢壘電容Cb和擴散電容Cd勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。勢壘電容的大小與PN結截面積成正比，與阻擋層厚度成反比而擴散電容僅在正向偏置時起作用。在正向偏置時，當正向電壓較低時勢壘電容為主，正向電壓較高時擴散電容為結電容主要成分結電容影響PN結的工作頻率，特別是在高速開關的狀態(tài)下，可能使其單向導電性變差，甚至不能工作，應用時應加以注意。PN結的電容效應：PN結的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效21二極管結電容Cj=Cb+Cd理解了二極管的電容效應很容易理解其開關過程不能瞬間完成尤其在外加反壓時，二極管的結電容必須先放電，經(jīng)過一段恢復時間后，二極管才能恢復阻斷Cj的存在導致二極管開關損耗增加二極管結電容Cj=Cb+Cd22二極管開關特性等效電路反向恢復特性(重點)二極管開關特性等效電路23幾種反向恢復比較幾種反向恢復比較24反向恢復的影響引起較大的損耗di/dt造成較大的電磁干擾以及尖峰電壓限制了二極管的開關速度反向恢復的影響引起較大的損耗25二極管的類型按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復特性有不同的分類應用時，應根據(jù)不同場合的不同要求，選擇不同類型的功率二極管；性能上的不同是由半導體物理結構和工藝上的差別造成的。普通二極管trr大，適用于低頻,如1khz整流電路快恢復二極管trr<5us，開關二極管，用于高頻整流/斬波和逆變,其中超快恢復trr<50ns肖特基二極管二極管的類型按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別26二.功率二極管的主要類型1.普通二極管（GeneralPurposeDiode）又稱整流二極管（RectifierDiode）多用于開關頻率不高（1kHz以下）的整流電中；其反向恢復時間較長，一般在5μs以上，這在開關頻率不高時并不重要；正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高，分別可達數(shù)千安和數(shù)千伏以上。二.功率二極管的主要類型1.普通二極管（GeneralP27二.功率二極管的主要類型2.快恢復二極管（FastRecoveryDiode——FRD）恢復過程很短特別是反向恢復過程很短（5μs以下）的二極管，也簡稱快速二極管從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。前者反向恢復時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到20~30ns。二.功率二極管的主要類型2.快恢復二極管（FastRe283.肖特基二極管以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管稱為肖特基勢壘二極管（SchottkyBarrierDiode棗SBD），簡稱為肖特基二極管結構特殊:金屬層+N,利用接觸勢壘的單向導電作用結構/符號,不是完整的PN結3.肖特基二極管以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管29肖特基二極管肖特基二極管的優(yōu)點**反向恢復時間很短（10~40ns）**正向恢復過程中也不會有明顯的電壓過沖**在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復二極管**其開關損耗和正向導通損耗都比快速二極管還要小，效率高肖特基二極管的弱點：當反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下；**反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度。肖特基二極管肖特基二極管的優(yōu)點30肖特基伏安特性的比較肖特基伏安特性的比較31肖特基應用場合應用于高頻/低壓場合高頻:因為其trr小低壓:壓降小,器件損耗小耐壓等級低限制其在高輸出電壓的應用場合肖特基應用場合應用于高頻/低壓場合32.功率二極管的基本特性1.靜態(tài)特性主要指其伏安特性當功率二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導通狀態(tài)。功率二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當二極管承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。.功率二極管的基本特性1.靜態(tài)特性332.動態(tài)特性動態(tài)特性棗因結電容的存在，狀態(tài)轉換有一個過渡過程，此過程中的電壓—電流特性是隨時間變化的開關特性：反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉換過程關斷過程：須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態(tài)在關斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖2.動態(tài)特性動態(tài)特性棗因結電容的存在，狀態(tài)轉換有一個過渡過34反向恢復時間：trr=ta+tb

ta----勢壘電容的放電時間；tb----擴散電容的放電時間；恢復特性的軟度：下降時間與延遲時間的比值tb/ta，或稱恢復系數(shù)(柔度系數(shù))，用SF表示開通過程：二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值。這一動態(tài)過程時間被稱為正向恢復時間tfr。*需一定的時間來儲存大量少子，達到穩(wěn)態(tài)導通前管壓降較大*正向電流的上升會因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高反向恢復時間：trr=ta+tb

ta----勢壘電容的放35二.功率二極管的主要參數(shù)1.正向平均電流IF(AV)額定電流：在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值（與SCR相同）正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應來定義的，因此使用時應按有效值相等的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。二.功率二極管的主要參數(shù)1.正向平均電流IF(AV)36二.功率二極管的主要參數(shù)2.正向壓降UF指功率二極管在指定溫度下，流過某一特定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應的正向壓降；3.反向重復峰值電壓URRM對功率二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3使用時，往往按照電路中功率二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定。二.功率二極管的主要參數(shù)2.正向壓降UF37二.功率二極管的主要參數(shù)4.最高工作結溫TJM結溫是指管芯PN結的平均溫度，用TJ表示最高工作結溫是指在PN結不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度TJM通常在125~175°C范圍之內(nèi)5.反向恢復時間trrtrr=td+tf，關斷過程中，電流降到0起到恢復反向阻斷能力止的時間6.浪涌電流IFSM二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。二.功率二極管的主要參數(shù)4.最高工作結溫TJM38功率晶極管

功率晶極管

39一.雙極型功率晶體管功率晶體管（GiantTransistor——GTR---巨型晶體管）耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有時候也稱為PowerBJT在電力電子技術的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個名稱等效一.雙極型功率晶體管功率晶體管（GiantTransist40第二節(jié)功率晶體管典型全控型器件：門極可關斷晶閘管（GTO）--開關頻率低，功率大；高頻化的電力電子器件代表——功率晶體管、電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管。第二節(jié)功率晶體管典型全控型器件：41一.雙極型功率晶體管80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和功率MOSFET取代一.雙極型功率晶體管80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘42功率晶體管分類雙極性功率晶體管:BJT:bipolarjunctiontransistorGTR:電流控制型器件場控晶體管:MOS場效應晶體管,絕緣柵晶體管,MOS控制晶閘管電壓型控制器件功率晶體管分類雙極性功率晶體管:43雙極型功率晶體管結構:三層半導體,二個PN結符號,NPN,PNP雙極型功率晶體管結構:三層半導體,二個PN結44GTR的穩(wěn)態(tài)特性分類:共射,共基,共集特性:三區(qū),截止/放大/飽和GTR的穩(wěn)態(tài)特性分類:共射,共基,共集45GTR的參數(shù)Ibs=Ics/β式8-21過驅動系數(shù)ODF式8-22驅動損耗:Ps式8-23由于ODF過大,造成總損耗增加,應避免GTR的參數(shù)Ibs=Ics/β式8-2146一般采用共發(fā)射極接法，集電極電流ic與基極電流ib之比為GTR的電流放大系數(shù)β=Ic/Ib反映了基極電流對集電極電流的控制能力一般采用共發(fā)射極接法，集電極電流ic與基極電流ib之比為GT47GTR的開關特性PN結的電容同樣也影響GTR的開關特性PN正偏時,有”勢壘”電容和”擴散”電容PN反偏時,只有”勢壘”電容GTR的開關特性PN結的電容同樣也影響GTR的開關特性482.GTR的基本特性(1)靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)2.GTR的基本特性(1)靜態(tài)特性49開關瞬態(tài)模型參見圖8-6,P142(了解)考慮各極的等效電阻將PN結電容加上即可得到此瞬態(tài)開關模型開關瞬態(tài)模型參見圖8-6,P142(了解)50開關波形-開通狀態(tài)Ui:-U1->+U2;Ib:0->Ib2Ib先給結電容Cbe充電;Ic在經(jīng)過td(開通延時)后開始上升開關波形-開通狀態(tài)Ui:-U1->+U2;51雙極型功率晶體管參數(shù)電流放大倍數(shù),正溫度系數(shù)Uces或導通電阻電壓額定值雙極型功率晶體管參數(shù)電流放大倍數(shù),正溫度系數(shù)52開關波形-關斷狀態(tài)Ib首先將基區(qū)過剩電荷抽走,Cbe仍然正偏,Q仍然導通經(jīng)過存儲時間Ts后,Q電流方開始下降再經(jīng)過下降時間Tf后,才能關斷開關波形-關斷狀態(tài)Ib首先將基區(qū)過剩電荷抽走,Cbe仍然正53幾個電壓額定值U(BR)cbo發(fā)射極開路時UcbmU(BR)cex基射極反偏時UcemU(BR)ces基射極短路時UcemU(BR)cer基射極有r時UcemU(BR)ceo基射極開路時Ucem幾個電壓額定值U(BR)cbo發(fā)射極開路時Ucbm54幾個時間的定義1延遲時間2上升時間3存儲時間4下降時間參見P144頁幾個時間的定義1延遲時間55幾個電壓額定值BUcboBUceo/BUcer/BUces/BUcex大小關系：BUceo<BUcer1<BUcer2<BUces<BUcex<BUcbo(onconditionofR1>R2)幾個電壓額定值BUcbo56GTR的電流定額集電極最大允許電流IcM通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/2--1/3時所對應的Ic實際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點電流Ibm,IemGTR的電流定額集電極最大允許電流IcM57G極E極同一平面－＞正偏程度不一致邊緣正偏程度＞中心正偏程度橫向電場方向由邊緣指向中心邊緣出現(xiàn)電流熱點正溫度系數(shù)的電阻率熱循環(huán)－＞正偏二次擊穿正偏擊穿問題G極E極同一平面－＞正偏程度不一致正偏擊穿問題583)集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率.產(chǎn)品說明書中給PcM時同時給出殼溫TCPcMT=(TjM-T)PcM/(TJM-Tc)3)集電極最大耗散功率PcM59正偏二次擊穿特性器件的基區(qū)寬度越高，越不易發(fā)生擊穿器件的頻率高,Is/b下降，容易發(fā)生器件的外加電壓高，Is/b下降，容易發(fā)生選擇低頻器件，外加電壓盡量低正偏二次擊穿特性器件的基區(qū)寬度越高，越不易發(fā)生擊穿60GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)一次擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變二次擊穿一次擊穿發(fā)生時Ic增大到某個臨界點時會突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)一次擊穿61反偏二次擊穿問題G極E極同一平面－＞反偏程度不一致邊緣反偏程度＞中心反偏程度橫向電場方向由中心指向邊緣中心出現(xiàn)電流熱點正溫度系數(shù)的電阻率熱循環(huán)－＞反偏二次擊穿反偏二次擊穿問題G極E極同一平面－＞反偏程度不一致62反偏二次擊穿特性與芯片結構有關與Ube和Rb相關Ube一定時，Rb越大，Es/b越大，不易發(fā)生Rb一定時，Ube越小，Es/b越大，不易發(fā)生防反偏擊穿要求與關斷動態(tài)指標存在矛盾，需要均衡考慮反偏二次擊穿特性與芯片結構有關63達林頓連接大電流GTR的β小，Ibs過大為獲得較大β，可將兩晶體管組成復合管，即進行達林頓連接β為兩級之乘積，起到放大作用但Uces會有一定程度的增加．達林頓連接大電流GTR的β小，Ibs過大64安全工作區(qū)考慮電壓／電流／功率／二次擊穿多個因素由四條曲線所圍成的范圍安全工作區(qū)考慮電壓／電流／功率／二次擊穿多個因素65安全工作區(qū)（SafeOperatingArea——SOA）最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定安全工作區(qū)（SafeOperatingArea——SOA66場控半導體

場控半導體

67場效應晶體管也分為結型和絕緣柵型（類似小功率FieldEffectTransistor——FET）通常指絕緣柵型的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）--簡稱功率MOSFET（PowerMOSFET）特點——用柵極電壓來控制漏極電流-------驅動電路簡單，需要的驅動功率小------開關速度快，工作頻率高-----熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR------電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置場效應晶體管也分為結型和絕緣柵型（類似小功率FieldEff68MOSFET的種類按導電機理不同可分為結型和絕緣珊型結型——外加電場控制場效應晶體管柵－源之間PN結耗盡層寬度變化來控制溝道電導絕緣柵型——柵極G與其余兩個電極之間是絕緣的，外加電場控制半導體中感應電荷量的變化控制溝道電導的，所以稱為絕緣柵型。導通時只有一種極性的載流子（多子）參與導電，是單極型晶體管MOSFET的種類按導電機理不同可分為結型和絕緣珊型結型——69MOSFET的種類絕緣柵型MOSFET分為耗盡型和增強型耗盡型——當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道增強型——對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道按導電溝道可分為P溝道和N溝道功率MOSFET主要是N溝道增強型（大功率MOSFET一般不用P溝道，空穴的遷移率比電子低，導通電阻大）MOSFET的種類絕緣柵型MOSFET分為耗盡型和增強型70四個工作區(qū)VGS<VT,工作在截止區(qū)當VGD＝VGS-VDS>VT時，可變電阻區(qū)（導通狀態(tài)）當VGD＝VGS-VDS<VT時，飽和區(qū)（恒流區(qū)，等效于晶體管的放大區(qū)！）擊穿區(qū)：VDS增加到一定量，漏極PN擊穿，漏電流迅速增大四個工作區(qū)VGS<VT,工作在截止區(qū)71截止：柵源極間電壓為零，漏源極間加正電源P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結反偏，漏源極之間無電流流過導電：在柵源極間加正電壓UGS柵極的正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子——電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面當UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結消失，漏極和源極導電截止：柵源極間電壓為零，漏源極間加正電源72功率MOSFET的結構導電機理與小功率MOS管相同，結構上有較大區(qū)別小功率MOS管是橫向導電器件功率MOSFET大都采用垂直導電結構，又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET）——大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力按垂直導電結構的差異，又分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導電的VVMOSFET和具有垂直導電雙擴散MOS結構的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）功率MOSFET的結構導電機理與小功率MOS管相同，結構上有73功率MOSFET的基本特性1)靜態(tài)特性轉移特性:漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系ID較大時，ID與UGS的關系近似線性，曲線的斜率定義為跨導Gfs功率MOSFET的基本特性1)靜態(tài)特性74輸出特性:MOSFET的漏極伏安特性UGS控制ID,UDS與UGS，ID有關RDS=UDS/ID輸出特性:MOSFET的漏極伏安特性UGS控制ID,U75導通電阻特性**導通電阻與耐壓幾近成平方增長（式8-50）**導通電阻與電流和UGS均相關**通態(tài)電阻Ron具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利導通電阻特性**導通電阻與耐壓幾近成平方增長（式8-50）76動態(tài)特性開通時間ton=開通延遲時間td(on)+上升時間tr關斷時間toff=關斷延遲時間td(off)+下降時間tf動態(tài)特性開通時間ton=開通延遲時間td(on)+上升時間t77MOSFET的開關速度MOSFET的開關速度和Cin充放電有很大關系；使用者無法降低Cin，但可降低驅動電路內(nèi)阻Rs減小時間常數(shù)，加快開關速度；MOSFET只靠多子導電，不存在少子儲存效應，因而關斷過程非常迅速；開關時間在10~100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的；場控器件，靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅動功率。開關頻率越高，所需要的驅動功率越大。MOSFET的開關速度MOSFET的開關速度和Cin充放電有78功率MOSFET的主要參數(shù)1)漏極電壓UDS功率MOSFET電壓定額2)漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM功率MOSFET電流定額3)柵源電壓UGS柵源之間的絕緣層很薄，|UGS|>20V將導致絕緣層擊穿4)極間電容:極間電容CGS、CGD和CDS廠家提供：漏源極短路時的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉移電容Crss5)dUDS/dt限制功率MOSFET的主要參數(shù)1)漏極電壓UDS功率MOSF79安全工作區(qū)漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定一般來說，MOSFET不存在二次擊穿問題；實用中仍應注意留適當?shù)脑Ａ?。安全工作區(qū)漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定80絕緣柵雙極晶體管(IGBT)GTR的特點——雙極型，電流驅動，通流能力很強，開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜MOSFET的優(yōu)點——單極型，電壓驅動，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）GTR和MOSFET復合，結合二者的優(yōu)點，具有良好的特性1986年投入市場后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場，中小功率電力電子設備的主導器件絕緣柵雙極晶體管(IGBT)GTR的特點——雙極型，電流驅動81IGBT的結構和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極EIGBT的結構IGBT比MOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，形成了一個大面積的P+N結.IGBT具有很強的通流能力.IGBT的結構和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E82IGBT的原理驅動原理與功率MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定導通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通導通壓降：通態(tài)壓降小關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷IGBT的原理驅動原理與功率MOSFET基本相同，場控器件，83IGBT的基本特性1)IGBT的靜態(tài)特性轉移特性：開啟電壓UGE(th)輸出特性（伏安特性）分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。uCE<0時，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)IGBT的基本特性1)IGBT的靜態(tài)特性84IGBT的動態(tài)特性開通時間ton=開通延遲時間td(on)+電流上升時間tr關斷時間toff=關斷延遲時間td(off)+電流下降時間tf電流拖尾IGBT的動態(tài)特性開通時間ton=開通延遲時間td(on)+85IGBT的主要參數(shù)1)最大集射極間電壓UCES由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定2)最大集電極電流包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP3)最大集電極功耗PCM正常工作溫度下允許的最大功耗IGBT的主要參數(shù)1)最大集射極間電壓UCES由內(nèi)部PN86IGBT的特性和參數(shù)特點(1)開關速度高，開關損耗小。在電壓1000V以上時，開關損耗只有GTR的1/10，與MOSFET相當(2)相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力(3)通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域(4)輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似(5)與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關頻率高的特點IGBT的特性和參數(shù)特點(1)開關速度高，開關損耗小。在電87IGBT的擎住效應和安全工作區(qū)寄生晶閘管——由一個N-PN+晶體管和作為主開關器件的P+N-P晶體管組成擎住效應（自鎖效應）：ICM,duCE/dt限制IGBT的擎住效應和安全工作區(qū)寄生晶閘管——由一個N-PN+88正偏安全工作區(qū)（FBSOA）——最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）——最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定正偏安全工作區(qū)（FBSOA）——最大集電極電流、最大集射極間89第八章功率晶體管和二極管第八章功率晶體管和二極管90引言功率電子學的發(fā)展特征是器件的發(fā)展慢速SCR->高速開關器件應用場合更為廣闊二極管/晶體管/GTR/MOS/IGBT引言功率電子學的發(fā)展特征是器件的發(fā)展91第八章功率晶體管和二極管基本要求：了解各種常用的功率晶體管和二極管的基本特性和定額參數(shù)，為設計功率電路正確選擇功率器件打下基礎學習內(nèi)容：功率二極管：大功率晶體管：GTR－大功率雙極型功率晶體管（BipolarJunctionTransitor,BJT）MOSFET－金屬氧化物半導體場效應管IGBT－絕緣柵晶體管第八章功率晶體管和二極管基本要求：92第一節(jié)功率二極管功率二極管－不可控器件PowerDiode:結構簡單．工作可靠．自20世紀50年代就獲得應用快恢復二極管和肖特基二極管：分別在中．高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位．第一節(jié)功率二極管功率二極管－不可控器件93第一節(jié)功率二極管功率二極管的工作原理基本結構和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣以半導體PN結為基礎，由一個面積較大的PN結和兩端引線以及封裝組成的第一節(jié)功率二極管功率二極管的工作原理94第一節(jié)功率二極管N型半導體和P型半導體結合后構成PN結。P區(qū)主要為空穴即為多子，N區(qū)的多子為電子；交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的擴散運動，到對方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側分別留下了帶正、負電荷－這些不能移動的正、負電荷稱為空間電荷。第一節(jié)功率二極管N型半導體和P型半導體結合后構成PN結。95第一節(jié)功率二極管

空間電荷建立的電場被稱為內(nèi)電場或自建電場，其方向是阻止擴散運動的，另一方面又吸引對方區(qū)內(nèi)的少子（對本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運動，即漂移運動。?擴散運動和漂移運動既相互聯(lián)系又是一對矛盾，最終達到動態(tài)平衡，正、負空間電荷量達到穩(wěn)定值，形成了一個穩(wěn)定的由空間電荷構成的范圍，被稱為空間電荷區(qū)，按所強調的角度不同也被稱為耗盡層、阻擋層或勢壘區(qū)。第一節(jié)功率二極管

空間電荷建立的電場被稱為內(nèi)電場或自建電場，96第一節(jié)功率二極管

當PN結外加正向電壓時，外加電場與PN結的內(nèi)電場方向相反，在外電場作用下．P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子將被吸引到耗盡層，使耗盡層變窄削弱，有利于多子擴散不利于少子漂流第一節(jié)功率二極管

當PN結外加正向電壓時，外加電場與PN結的97第一節(jié)功率二極管PN結外加反向電壓時，外加電場與PN結內(nèi)電場方向相同，在外電場的作用下，多子將離開PN結而位空間電荷區(qū)變寬，增強了內(nèi)電場，因而有利于少于的漂移而不利于多子的擴散。第一節(jié)功率二極管PN結外加反向電壓時，外加電場與PN結內(nèi)電98二極管的伏安特性PN結的理解特性二極管的伏安特性PN結的理解特性99二極管的伏安特性PN結的正向導通特性二極管的伏安特性PN結的正向導通特性100二極管的伏安特性PN結的反向偏置二極管的伏安特性PN結的反向偏置101正向特性正向特性102正向導通及反向截止PN結的正向導通狀態(tài)PN結在正向電流較大時壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN結表現(xiàn)為低阻態(tài)PN結的反向截止狀態(tài)PN結的單向導電性二極管的基本原理就在于PN結的單向導電性這一主要特征PN結的反向擊穿有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導致熱擊穿正向導通及反向截止PN結的正向導通狀態(tài)103二極管正向特性1.正向壓降隨耐壓升高而升高2.正向壓降隨溫度升高而降低3.正向壓降的負溫度系數(shù)對單個工作有利4.正向壓降的負溫度系數(shù)對并聯(lián)不利二極管正向特性1.正向壓降隨耐壓升高而升高104正向特性的負溫度特性正向特性的負溫度特性105二極管特性符號:D導通機理:PN結特性正向偏置特性反向偏置特性二極管特性符號:D106二極管的開關特性PN結是P/N型半導體結合區(qū)的空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)->內(nèi)電場->耗盡層當外加正電壓，削弱內(nèi)電場，注入電荷,形成正向電流正電壓減小時，空間電場放出電荷，內(nèi)電場增強,正向電流減小類似電容充放電,->二極管的動態(tài)特性中電容效應尤為關鍵二極管的開關特性PN結是P/N型半導體結合區(qū)的空間電荷區(qū)107二極管的電容效應(1)兩端電壓變化，內(nèi)電場重新建立,等效為Cb稱之為”墊壘電容”Cb與PN結截面積成正比,這與電容基本定義一致二極管的電容效應(1)兩端電壓變化，內(nèi)電場重新建立,等效為C108二極管的電容效應(2)二極管的電流變化,內(nèi)部存儲電荷變化空穴從P區(qū)到N區(qū)，電子從N區(qū)到P區(qū)電荷不完全復合,多余部份即為存儲電荷當電流大,存儲電荷增加；當電流小,放出電荷；表現(xiàn)出電容特性將之等效為Cd,即擴散電容二極管的電容效應(2)二極管的電流變化,內(nèi)部存儲電荷變化109PN結的電容效應：PN結的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應，稱為結電容Cj，又稱為微分電容。結電容按其產(chǎn)生機制和作用的差別分為勢壘電容Cb和擴散電容Cd勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。勢壘電容的大小與PN結截面積成正比，與阻擋層厚度成反比而擴散電容僅在正向偏置時起作用。在正向偏置時，當正向電壓較低時勢壘電容為主，正向電壓較高時擴散電容為結電容主要成分結電容影響PN結的工作頻率，特別是在高速開關的狀態(tài)下，可能使其單向導電性變差，甚至不能工作，應用時應加以注意。PN結的電容效應：PN結的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效110二極管結電容Cj=Cb+Cd理解了二極管的電容效應很容易理解其開關過程不能瞬間完成尤其在外加反壓時，二極管的結電容必須先放電，經(jīng)過一段恢復時間后，二極管才能恢復阻斷Cj的存在導致二極管開關損耗增加二極管結電容Cj=Cb+Cd111二極管開關特性等效電路反向恢復特性(重點)二極管開關特性等效電路112幾種反向恢復比較幾種反向恢復比較113反向恢復的影響引起較大的損耗di/dt造成較大的電磁干擾以及尖峰電壓限制了二極管的開關速度反向恢復的影響引起較大的損耗114二極管的類型按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復特性有不同的分類應用時，應根據(jù)不同場合的不同要求，選擇不同類型的功率二極管；性能上的不同是由半導體物理結構和工藝上的差別造成的。普通二極管trr大，適用于低頻,如1khz整流電路快恢復二極管trr<5us，開關二極管，用于高頻整流/斬波和逆變,其中超快恢復trr<50ns肖特基二極管二極管的類型按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別115二.功率二極管的主要類型1.普通二極管（GeneralPurposeDiode）又稱整流二極管（RectifierDiode）多用于開關頻率不高（1kHz以下）的整流電中；其反向恢復時間較長，一般在5μs以上，這在開關頻率不高時并不重要；正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高，分別可達數(shù)千安和數(shù)千伏以上。二.功率二極管的主要類型1.普通二極管（GeneralP116二.功率二極管的主要類型2.快恢復二極管（FastRecoveryDiode——FRD）恢復過程很短特別是反向恢復過程很短（5μs以下）的二極管，也簡稱快速二極管從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。前者反向恢復時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到20~30ns。二.功率二極管的主要類型2.快恢復二極管（FastRe1173.肖特基二極管以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管稱為肖特基勢壘二極管（SchottkyBarrierDiode棗SBD），簡稱為肖特基二極管結構特殊:金屬層+N,利用接觸勢壘的單向導電作用結構/符號,不是完整的PN結3.肖特基二極管以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管118肖特基二極管肖特基二極管的優(yōu)點**反向恢復時間很短（10~40ns）**正向恢復過程中也不會有明顯的電壓過沖**在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復二極管**其開關損耗和正向導通損耗都比快速二極管還要小，效率高肖特基二極管的弱點：當反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下；**反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度。肖特基二極管肖特基二極管的優(yōu)點119肖特基伏安特性的比較肖特基伏安特性的比較120肖特基應用場合應用于高頻/低壓場合高頻:因為其trr小低壓:壓降小,器件損耗小耐壓等級低限制其在高輸出電壓的應用場合肖特基應用場合應用于高頻/低壓場合121.功率二極管的基本特性1.靜態(tài)特性主要指其伏安特性當功率二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導通狀態(tài)。功率二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當二極管承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。.功率二極管的基本特性1.靜態(tài)特性1222.動態(tài)特性動態(tài)特性棗因結電容的存在，狀態(tài)轉換有一個過渡過程，此過程中的電壓—電流特性是隨時間變化的開關特性：反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉換過程關斷過程：須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態(tài)在關斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖2.動態(tài)特性動態(tài)特性棗因結電容的存在，狀態(tài)轉換有一個過渡過123反向恢復時間：trr=ta+tb

ta----勢壘電容的放電時間；tb----擴散電容的放電時間；恢復特性的軟度：下降時間與延遲時間的比值tb/ta，或稱恢復系數(shù)(柔度系數(shù))，用SF表示開通過程：二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值。這一動態(tài)過程時間被稱為正向恢復時間tfr。*需一定的時間來儲存大量少子，達到穩(wěn)態(tài)導通前管壓降較大*正向電流的上升會因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高反向恢復時間：trr=ta+tb

ta----勢壘電容的放124二.功率二極管的主要參數(shù)1.正向平均電流IF(AV)額定電流：在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值（與SCR相同）正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應來定義的，因此使用時應按有效值相等的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。二.功率二極管的主要參數(shù)1.正向平均電流IF(AV)125二.功率二極管的主要參數(shù)2.正向壓降UF指功率二極管在指定溫度下，流過某一特定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應的正向壓降；3.反向重復峰值電壓URRM對功率二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3使用時，往往按照電路中功率二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定。二.功率二極管的主要參數(shù)2.正向壓降UF126二.功率二極管的主要參數(shù)4.最高工作結溫TJM結溫是指管芯PN結的平均溫度，用TJ表示最高工作結溫是指在PN結不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度TJM通常在125~175°C范圍之內(nèi)5.反向恢復時間trrtrr=td+tf，關斷過程中，電流降到0起到恢復反向阻斷能力止的時間6.浪涌電流IFSM二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。二.功率二極管的主要參數(shù)4.最高工作結溫TJM127功率晶極管

功率晶極管

128一.雙極型功率晶體管功率晶體管（GiantTransistor——GTR---巨型晶體管）耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有時候也稱為PowerBJT在電力電子技術的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個名稱等效一.雙極型功率晶體管功率晶體管（GiantTransist129第二節(jié)功率晶體管典型全控型器件：門極可關斷晶閘管（GTO）--開關頻率低，功率大；高頻化的電力電子器件代表——功率晶體管、電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管。第二節(jié)功率晶體管典型全控型器件：130一.雙極型功率晶體管80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和功率MOSFET取代一.雙極型功率晶體管80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘131功率晶體管分類雙極性功率晶體管:BJT:bipolarjunctiontransistorGTR:電流控制型器件場控晶體管:MOS場效應晶體管,絕緣柵晶體管,MOS控制晶閘管電壓型控制器件功率晶體管分類雙極性功率晶體管:132雙極型功率晶體管結構:三層半導體,二個PN結符號,NPN,PNP雙極型功率晶體管結構:三層半導體,二個PN結133GTR的穩(wěn)態(tài)特性分類:共射,共基,共集特性:三區(qū),截止/放大/飽和GTR的穩(wěn)態(tài)特性分類:共射,共基,共集134GTR的參數(shù)Ibs=Ics/β式8-21過驅動系數(shù)ODF式8-22驅動損耗:Ps式8-23由于ODF過大,造成總損耗增加,應避免GTR的參數(shù)Ibs=Ics/β式8-21135一般采用共發(fā)射極接法，集電極電流ic與基極電流ib之比為GTR的電流放大系數(shù)β=Ic/Ib反映了基極電流對集電極電流的控制能力一般采用共發(fā)射極接法，集電極電流ic與基極電流ib之比為GT136GTR的開關特性PN結的電容同樣也影響GTR的開關特性PN正偏時,有”勢壘”電容和”擴散”電容PN反偏時,只有”勢壘”電容GTR的開關特性PN結的電容同樣也影響GTR的開關特性1372.GTR的基本特性(1)靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)2.GTR的基本特性(1)靜態(tài)特性138開關瞬態(tài)模型參見圖8-6,P142(了解)考慮各極的等效電阻將PN結電容加上即可得到此瞬態(tài)開關模型開關瞬態(tài)模型參見圖8-6,P142(了解)139開關波形-開通狀態(tài)Ui:-U1->+U2;Ib:0->Ib2Ib先給結電容Cbe充電;Ic在經(jīng)過td(開通延時)后開始上升開關波形-開通狀態(tài)Ui:-U1->+U2;140雙極型功率晶體管參數(shù)電流放大倍數(shù),正溫度系數(shù)Uces或導通電阻電壓額定值雙極型功率晶體管參數(shù)電流放大倍數(shù),正溫度系數(shù)141開關波形-關斷狀態(tài)Ib首先將基區(qū)過剩電荷抽走,Cbe仍然正偏,Q仍然導通經(jīng)過存儲時間Ts后,Q電流方開始下降再經(jīng)過下降時間Tf后,才能關斷開關波形-關斷狀態(tài)Ib首先將基區(qū)過剩電荷抽走,Cbe仍然正142幾個電壓額定值U(BR)cbo發(fā)射極開路時UcbmU(BR)cex基射極反偏時UcemU(BR)ces基射極短路時UcemU(BR)cer基射極有r時UcemU(BR)ceo基射極開路時Ucem幾個電壓額定值U(BR)cbo發(fā)射極開路時Ucbm143幾個時間的定義1延遲時間2上升時間3存儲時間4下降時間參見P144頁幾個時間的定義1延遲時間144幾個電壓額定值BUcboBUceo/BUcer/BUces/BUcex大小關系：BUceo<BUcer1<BUcer2<BUces<BUcex<BUcbo(onconditionofR1>R2)幾個電壓額定值BUcbo145GTR的電流定額集電極最大允許電流IcM通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/2--1/3時所對應的Ic實際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點電流Ibm,IemGTR的電流定額集電極最大允許電流IcM146G極E極同一平面－＞正偏程度不一致邊緣正偏程度＞中心正偏程度橫向電場方向由邊緣指向中心邊緣出現(xiàn)電流熱點正溫度系數(shù)的電阻率熱循環(huán)－＞正偏二次擊穿正偏擊穿問題G極E極同一平面－＞正偏程度不一致正偏擊穿問題1473)集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率.產(chǎn)品說明書中給PcM時同時給出殼溫TCPcMT=(TjM-T)PcM/(TJM-Tc)3)集電極最大耗散功率PcM148正偏二次擊穿特性器件的基區(qū)寬度越高，越不易發(fā)生擊穿器件的頻率高,Is/b下降，容易發(fā)生器件的外加電壓高，Is/b下降，容易發(fā)生選擇低頻器件，外加電壓盡量低正偏二次擊穿特性器件的基區(qū)寬度越高，越不易發(fā)生擊穿149GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)一次擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變二次擊穿一次擊穿發(fā)生時Ic增大到某個臨界點時會突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)一次擊穿150反偏二次擊穿問題G極E極同一平面－＞反偏程度不一致邊緣反偏程度＞中心反偏程度橫向電場方向由中心指向邊緣中心出現(xiàn)電流熱點正溫度系數(shù)的電阻率熱循環(huán)－＞反偏二次擊穿反偏二次擊穿問題G極E極同一平面－＞反偏程度不一致151反偏二次擊穿特性與芯片結構有關與Ube和Rb相關Ube一定時，Rb越大，Es/b越大，不易發(fā)生Rb一定時，Ube越小，Es/b越大，不易發(fā)生防反偏擊穿要求與關斷動態(tài)指標存在矛盾，需要均衡考慮反偏二次擊穿特性與芯片結構有關152達林頓連接大電流GTR的β小，Ibs過大為獲得較大β，可將兩晶體管組成復合管，即進行達林頓連接β為兩級之乘積，起到放大作用但Uces會有一定程度的增加．達林頓連接大電流GTR的β小，Ibs過大153安全工作區(qū)考慮電壓／電流／功率／二次擊穿多個因素由四條曲線所圍成的范圍安全工作區(qū)考慮電壓／電流／功率／二次擊穿多個因素154安全工作區(qū)（SafeOperatingArea——SOA）最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定安全工作區(qū)（SafeOperatingArea——SOA155場控半導體

場控半導體

156場效應晶體管也分為結型和絕緣柵型（類似小功率FieldEffectTransistor——FET）通常指絕緣柵型的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）--簡稱功率MOSFET（PowerMOSFET）特點——用柵極電壓來控制漏極電流-------驅動電路簡單，需要的驅動功率小------開關速度快，工作頻率高-----熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR------電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置場效應晶體管也分為結型和絕緣柵型（類似小功率FieldEff157MOSFET的種類按導電機理不同可分為結型和絕緣珊型結型——外加電場控制場效應晶體管柵－源之間PN結耗盡層寬度變化來控制溝道電導絕緣柵型——柵極G與其余兩個電極之間是絕緣的，外加電場控制半導體中感應電荷量的變化控制溝道電導的，所以稱為絕緣柵型。導通時只有一種極性的載流子（多子）參與導電，是單極型晶體管MOSFET的種類按導電機理不同可分為結型和絕緣珊型結型——158MOSFET的種類絕緣柵型MOSFET分為耗盡型和增強型耗盡型——當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道增強型——對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道按導電溝道可分為P溝道和N溝道功率MOSFET主要是N溝道增強型（大功率MOSFET一般不用P溝道，空穴的遷移率比電子低，導通電阻大）MOSFET的種類絕緣柵型MOSFET分為耗盡型和增強型159四個工作區(qū)VGS<VT,工作在截止區(qū)當VGD＝VGS-VDS>VT時，可變電阻區(qū)（導通狀態(tài)）當VGD＝VGS-VDS<VT時，飽和區(qū)（恒流區(qū)，等效于晶體管的放大區(qū)?。舸﹨^(qū)：VDS增加到一定量，漏極PN擊穿，漏電流迅速增大四個工作區(qū)VGS<VT,工作在截止區(qū)160截止：柵源極間電壓為零，漏源極間加正電源P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結反偏，漏源極之間無電流流過導電：在柵源極間加正電壓UGS柵極的正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子——電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面當UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結消失，漏極和源極導電截止：柵源極間電壓為零，漏源極間加正電源161功率MOSFET的結構導電機理與小功率MOS管相同，結構上有較大區(qū)別小功率MOS管是橫向導電器件功率MOSFET大都采用垂直導電結構，又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET）——大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力按垂直導電結構的差異，又分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導電的VVMOSFET和具有垂直導電雙擴散MOS結構的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）功率MOSFET的結構導電機理與小功率MOS管相同，結構上有162功率MOSFET的基本特性1)靜態(tài)特性轉移特性:漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系ID較大時，ID與UGS的關系近似線性，曲線的斜率定義為跨導Gfs功率MOSFET的基本特性1)靜態(tài)特性163輸出特性:MOSFET的漏極伏安特性UGS控制ID,UDS