第1章 電力半導(dǎo)體器件

第一章電力半導(dǎo)體器件對(duì)應(yīng)電力二極管，由于要求承受高壓，與普通的P-N結(jié)不同，其內(nèi)部一個(gè)N-層，其雜質(zhì)濃度很低，電阻率很高，通過(guò)它實(shí)現(xiàn)很高的耐壓能力。IOIFUTOUFU3.比較：1擊穿實(shí)質(zhì)不同：一個(gè)是通過(guò)碰撞產(chǎn)生載流子；一個(gè)是通過(guò)強(qiáng)電場(chǎng)直接破壞共價(jià)鍵；

2產(chǎn)生條件不同：齊納擊穿要求高雜濃度，雪崩擊穿濃度較低；

3.聯(lián)系：發(fā)生齊納擊穿一定產(chǎn)生雪崩擊穿；而發(fā)生雪崩擊穿則未必發(fā)生齊納擊穿。熱擊穿是永久損壞。電擊穿發(fā)生時(shí)，若外電路將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，反向電壓降低后PN節(jié)仍可恢復(fù)。若電流未控制住，發(fā)生了熱擊穿，則二極管永久損壞。特點(diǎn)：工藝上多采用摻金措施，結(jié)構(gòu)上多采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)?；蚋倪M(jìn)的PIN型結(jié)構(gòu)，但耐壓不高。SiliconControlledRectifier圖1-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理

a)雙晶體管模型b)工作原理

■晶閘管的工作原理

◆按照晶體管工作原理，可列出如下方程：（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。◆晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下

是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后，

迅速增大?！粼诰w管阻斷狀態(tài)下，IG=0，而1+2是很小的。由上式可看出，此時(shí)流過(guò)晶閘管的漏電流只是稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。

◆如果注入觸發(fā)電流使各個(gè)晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過(guò)晶閘管的電流IA（陽(yáng)極電流）將趨近于無(wú)窮大，從而實(shí)現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通?！粲捎谕怆娐坟?fù)載的限制，IA實(shí)際上會(huì)維持有限值。

由以上式（2-1）~（2-4）可得(1-3)2晶閘管的基本特性■靜態(tài)特性

◆正常工作時(shí)的特性

?當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí)，不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。

?當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在門(mén)極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通。

?晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制作用，不論門(mén)極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通。?若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過(guò)晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。

◆晶閘管的伏安特性

?正向特性

√當(dāng)IG=0時(shí)，如果在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過(guò)。

√如果正向電壓超過(guò)臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通?！屉S著門(mén)極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低，晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。

√如果門(mén)極電流為零，并且陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)，IH稱為維持電流。

圖1-8晶閘管的伏安特性

IG2>IG1>IG

正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+?反向特性

√其伏安特性類似二極管的反向特性。

√晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反向漏電流通過(guò)。

√當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無(wú)限制措施，則反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管損壞。

圖1-8晶閘管的伏安特性 IG2>IG1>IG正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+晶閘管的基本特性■動(dòng)態(tài)特性◆開(kāi)通過(guò)程

?由于晶閘管內(nèi)部的正反饋過(guò)程需要時(shí)間，再加上外電路電感的限制，晶閘管受到觸發(fā)后，其陽(yáng)極電流的增長(zhǎng)不可能是瞬時(shí)的。?延遲時(shí)間td

(0.5~1.5s)

上升時(shí)間tr(0.5~3s)

開(kāi)通時(shí)間tgt=td+tr?延遲時(shí)間隨門(mén)極電流的增大而減小,上升時(shí)間除反映晶閘管本身特性外，還受到外電路電感的嚴(yán)重影響。提高陽(yáng)極電壓,延遲時(shí)間和上升時(shí)間都可顯著縮短。

圖2-10晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形陽(yáng)極電流穩(wěn)態(tài)值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA陽(yáng)極電流穩(wěn)態(tài)值的10%◆關(guān)斷過(guò)程

?由于外電路電感的存在，原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，其陽(yáng)極電流在衰減時(shí)必然也是有過(guò)渡過(guò)程的。

?反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr

正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr

關(guān)斷時(shí)間tq=trr+tgr?關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。

?在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)?，而不是受門(mén)極電流控制而導(dǎo)通。圖2-10晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形100%反向恢復(fù)電流最大值尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)晶閘管施加足夠長(zhǎng)的反向電壓。晶閘管門(mén)極與陰極之間的PN結(jié)J3，其伏安特性稱為門(mén)極伏安特性。3晶閘管的主要參數(shù)■電壓定額◆斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM?是在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓（見(jiàn)圖1-8）。

?國(guó)標(biāo)規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即斷態(tài)最大瞬時(shí)電壓）UDSM的90%。

?斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo?！舴聪蛑貜?fù)峰值電壓URRM

?是在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓（見(jiàn)圖1-9）。

?規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓URRM為反向不重復(fù)峰值電壓（即反向最大瞬態(tài)電壓）URSM的90%。?反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向擊穿電壓。2.3.3晶閘管的主要參數(shù)

◆通態(tài)峰值電壓UTM?晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。

◆通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓2~3倍?！鲭娏鞫~◆通態(tài)平均電流IT(AV）

?國(guó)標(biāo)規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。

?按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的。?一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等（即有效值相等）的原則來(lái)選取晶閘管的電流定額。

2.3.3晶閘管的主要參數(shù)◆維持電流IH

?維持電流是指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。?結(jié)溫越高，則IH越小。

◆擎住電流IL?擎住電流是晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。

?約為IH的2~4倍

◆浪涌電流ITSM

?指結(jié)溫為額定值時(shí)，在工頻正弦波半周期期間器件能承受的最大過(guò)載電流，而且緊接浪涌后的半周期內(nèi)應(yīng)能承受規(guī)定的反向電壓?！鰟?dòng)態(tài)參數(shù)

◆開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq

◆斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

?在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。

?電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。

◆通態(tài)電流臨界上升率di/dt

?在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率。

?如果電流上升太快，可能造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。1.3.2雙向晶閘管a)b)IOUIG=0GT1T2■雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）◆可以認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成?！糸T(mén)極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第Ｉ和第III象限有對(duì)稱的伏安特性。

◆雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值。圖1-11雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性

雙向晶閘管的觸發(fā)方式雙向晶閘管正反兩個(gè)方向都能導(dǎo)通，門(mén)極加正負(fù)電壓都能觸發(fā)。主電壓與觸發(fā)電壓相互配合，可以得到四種觸發(fā)方式：Ⅰ+觸發(fā)方式：主極T1為正，T2為負(fù)；門(mén)極電壓G為正（對(duì)T2）。特性曲線在第Ⅰ象限。Ⅰ-觸發(fā)方式：主極T1為正，T2為負(fù)；門(mén)極電壓G為負(fù)(對(duì)T2)。特性曲線在第Ⅰ象限。Ⅲ+觸發(fā)方式：主極T1為負(fù)，T2為正；門(mén)極電壓G為正(對(duì)T2)。特性曲線在第Ⅲ象限。Ⅲ-觸發(fā)方式：主極T1為負(fù)，T2為正；門(mén)極電壓G為負(fù)(對(duì)T2)。特性曲線在第Ⅲ象限。由于雙向晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因，四種觸發(fā)方式中觸發(fā)靈敏度不相同，以Ⅲ+觸發(fā)方式靈敏度最低，使用時(shí)要盡量避開(kāi)。常采用的觸發(fā)方式為Ⅰ+和Ⅲ-

。Ⅰ+觸發(fā)靈敏度最高。1.3.3光控晶閘管AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA■光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）

◆是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。

◆由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在高壓大功率的場(chǎng)合。圖1-12光控晶閘管的電氣圖形符 號(hào)和伏安特性

a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性

1.4.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管■晶閘管的一種派生器件，但可以通過(guò)在門(mén)極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于全控型器件。

■GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理

◆GTO的結(jié)構(gòu)?是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。?是一種多元的功率集成器件，雖然外部同樣引出3個(gè)電極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門(mén)極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。多元集成結(jié)構(gòu)，陰極很小，門(mén)、陰極間距很小，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門(mén)極抽出較大電流。

圖1-13GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)各單元的陰極、門(mén)極間隔排列的圖形并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖電氣圖形符號(hào)

1.4可關(guān)斷器件◆2GTO的工作原理：導(dǎo)通過(guò)程

?仍然可以用如左所示的雙晶體管模型來(lái)分析GTO的導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管是一樣的，有同樣的正反饋過(guò)程。1+2=1是臨界導(dǎo)通條件，當(dāng)1+2>1時(shí)，兩個(gè)等效晶體管過(guò)飽和而使器件導(dǎo)通，當(dāng)1+2<1時(shí)，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷。GTO在工藝設(shè)計(jì)上，

2遠(yuǎn)大于1

，且導(dǎo)通時(shí)1+2更接近于1（≈

1.05）。使得GTO導(dǎo)通時(shí)飽和程度不深，更接近于臨界飽和，從而為門(mén)極控制關(guān)斷提供了有利條件。但是負(fù)面影響是導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。GTO工作原理：關(guān)斷過(guò)程GTO關(guān)斷時(shí)，給門(mén)極加負(fù)脈沖，即從門(mén)極抽出電流，則晶體管VT2的基極電流Ib2減小。由于2遠(yuǎn)大1于，VT2的基極電流Ib2減小時(shí)，IC2和IK將大幅度減小。IC2的大幅度減小，又使IC1和將IA

大幅度減小,更進(jìn)一步衰減VT2的門(mén)極電流，如此形成了強(qiáng)烈的正反饋。由于1比較小，VT1飽和程度比較淺，使得VT1很快退出飽和而關(guān)斷。當(dāng)兩個(gè)晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使1+2<1時(shí)，器件退出飽和而關(guān)斷。小結(jié)：?GTO的導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管是一樣的，只不過(guò)導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。

?而關(guān)斷時(shí)，給門(mén)極加負(fù)脈沖，即從門(mén)極抽出電流，當(dāng)兩個(gè)晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使1+2<1時(shí)，器件退出飽和而關(guān)斷。

?GTO的多元集成結(jié)構(gòu)使得其比普通晶閘管開(kāi)通過(guò)程更快，承受di/dt的能力增強(qiáng)。

1.4.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管■GTO的動(dòng)態(tài)特性

◆開(kāi)通過(guò)程與普通晶閘管類似。

◆關(guān)斷過(guò)程

?儲(chǔ)存時(shí)間ts：

下降時(shí)間tf

尾部時(shí)間tt?通常tf比ts小得多，而tt比ts要長(zhǎng)。?門(mén)極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡，

ts就越短。使門(mén)極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍能保持適當(dāng)?shù)呢?fù)電壓，則可以縮短尾部時(shí)間。圖2-15GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形

Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子的時(shí)間等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減小時(shí)間

殘存載流子復(fù)合所需時(shí)間

晶閘管內(nèi)部的正反饋過(guò)程需要時(shí)間，再加上外電路電感的限制，1.4.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管■GTO的主要參數(shù)◆GTO的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同。

◆最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO?用來(lái)標(biāo)稱GTO額定電流。

◆電流關(guān)斷增益off

?最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO與門(mén)極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比。

?off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。

◆開(kāi)通時(shí)間ton

?延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。?延遲時(shí)間一般約1~2s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽(yáng)極電流值的增大而增大。

◆關(guān)斷時(shí)間toff

?一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，而不包括尾部時(shí)間。

?儲(chǔ)存時(shí)間隨陽(yáng)極電流的增大而增大，下降時(shí)間一般小于2s。1.4.2電力晶體管■電力晶體管（GiantTransistor——GTR）按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT）

■GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理

◆與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。

◆最主要的特性是耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好。

◆

GTR的結(jié)構(gòu)

?

GTR是由三層半導(dǎo)體（分別引出集電極、基極和發(fā)射極）形成的兩個(gè)PN結(jié)（集電結(jié)和發(fā)射結(jié)）構(gòu)成，多采用NPN結(jié)構(gòu)。+表示高摻雜濃度，-表示低摻雜濃度2.4.2電力晶體管?在應(yīng)用中，GTR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

稱為GTR的電流放大系數(shù)，它反映了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力。當(dāng)不考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí)，ic和ib的關(guān)系為?單管GTR的

值比處理信息用的小功率晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可以有效地增大電流增益。達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的GTR:

驅(qū)動(dòng)管VT1的輸出并聯(lián)在輸出管VT2的集電結(jié),集電級(jí)不可能出現(xiàn)正向偏置，因而不可能進(jìn)入深飽和區(qū),適用于高壓GTR。

優(yōu)點(diǎn)：容易退出飽和而迅速關(guān)斷，電流增益高，可擴(kuò)大輸出容量。

缺點(diǎn)：導(dǎo)通時(shí)管壓降較高。這是因?yàn)関I管的集電極電位永遠(yuǎn)高于它的發(fā)射極電位．使v2管的集電結(jié)不會(huì)處于正向偏量狀態(tài)．輸出管V2就不會(huì)飽和，從而達(dá)林頓GTR的飽和壓降較大，增加了導(dǎo)通損耗。(2)開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)特性第（1）時(shí)段，基極GTR處于截止?fàn)顟B(tài)。第（2）時(shí)段開(kāi)始，基極端外加正電壓，基極電流產(chǎn)生，線路寄生電感限制了基極電流的上升速率。

GTR截止時(shí)，N-區(qū)載流子很少；同時(shí)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于反向偏置狀態(tài)。要使得GTR恢復(fù)導(dǎo)通，首先要使得發(fā)射結(jié)導(dǎo)通（向發(fā)射結(jié)沖電），

由此導(dǎo)致ic的延遲時(shí)間td.由于ic延遲，ic保持為0，所以Uce的值不變。

時(shí)段（2）的長(zhǎng)度即為延遲時(shí)間td。

第（3）時(shí)段，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，壓降為標(biāo)準(zhǔn)值0.7v。同時(shí)少子電荷（正電荷）從基極通過(guò)集電結(jié)進(jìn)入N-區(qū)并在N-區(qū)積累，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得N-區(qū)阻抗逐漸減小,ic逐漸增大，UCE則不斷減小。GTR進(jìn)入線性放大區(qū)

由于ic增大，N-區(qū)阻抗減小，集電極電位不斷減小，第（3）時(shí)段末尾，集電結(jié)開(kāi)始正向偏置。在第（4）到第（4）時(shí)段末尾，P區(qū)和N-區(qū)的少子電荷得到很大的積累，遠(yuǎn)超過(guò)維持線性放大區(qū)集電極電流所必需的濃度，GTR集－射極間呈現(xiàn)低阻特性。GTR進(jìn)入臨界飽和狀態(tài)。補(bǔ)充：基極電流為何基本不變，由電路決定。第（5）時(shí)段，GTR飽和導(dǎo)通。第（6）時(shí)段開(kāi)始，基極外加電壓突然由正變負(fù)，之后基極電流逐漸由正變?yōu)樨?fù)?；鶚O電壓由正變負(fù)，首先抽取基區(qū)中的載流子。因此，（6）時(shí)段ic基本不變。隨著基區(qū)中的載流子抽取，N-中的少子減少，ic開(kāi)始下降，Uce升高，集電結(jié)變?yōu)榉聪蚱?，退出飽和狀態(tài)，進(jìn)入線性放大區(qū)，此為第（7）時(shí)段；

在第（8）時(shí)段，發(fā)射結(jié)等效電容被反向充電，基－射間反向電壓慢慢升高，隨后反向偏置，一直到等于外加負(fù)電壓。第（9）時(shí)段開(kāi)始，GTR進(jìn)入穩(wěn)定的截止?fàn)顟B(tài)。

（3）基極驅(qū)動(dòng)電流GTR關(guān)斷電流-IB2的幅值越大越有利于P區(qū)少子電荷的排放，從而GTR的關(guān)斷時(shí)間就越快。IB1,-IB2的幅值也不能過(guò)大，否則可能因?yàn)殡娏鞑痪斐蔁犭姄舸?，GTR集電極電流的正溫度系數(shù)特性，熱電反饋的結(jié)果更加劇了這種現(xiàn)象?！舢?dāng)GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，集電極電流迅速增大，這種首先出現(xiàn)的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿?！舭l(fā)現(xiàn)一次擊穿發(fā)生時(shí)如不有效地限制電流，Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，同時(shí)伴隨著電壓的陡然下降，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿。(4)二次擊穿與安全工作區(qū)◆出現(xiàn)一次擊穿后，GTR一般不會(huì)損壞，二次擊穿常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，因而對(duì)GTR危害極大。二次擊穿是在電流突增的同時(shí)器件端電壓驟然跌落，P-N結(jié)特性徹底破壞。二次擊穿的持續(xù)時(shí)間極短，一般為納秒至微秒的數(shù)量級(jí)。二次擊穿引起的是熱損壞，熱點(diǎn)的形成需要能量的積累，因此凡是對(duì)GTR電壓、電流、導(dǎo)通時(shí)間有關(guān)系的因素:負(fù)載性質(zhì)、脈沖寬度、電路參數(shù)、材料、工藝以及基極驅(qū)動(dòng)電路的情況等都會(huì)影響二次擊穿。a)UCBO,b)UCEO,c)UCES,d)UCER,e)UCEX

◆安全工作區(qū)（SafeOperatingArea——SOA）

?將不同基極電流下二次擊穿的臨界點(diǎn)連接起來(lái)，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線。?GTR工作時(shí)不僅不能超過(guò)最高電壓UceM，集電極最大電流IcM和最大耗散功率PcM（一次擊穿功率），也不能超過(guò)二次擊穿臨界線。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceMPSB:二次擊穿功率■GTR的主要參數(shù)◆電流放大倍數(shù)、直流電流增益hFE、集電極與發(fā)射極間漏電流Iceo、集電極和發(fā)射極間飽和壓降Uces、開(kāi)通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff

◆最高工作電壓?GTR上所加的電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)，就會(huì)發(fā)生擊穿。?擊穿電壓不僅和晶體管本身的特性有關(guān)，還與外電路的接法有關(guān)。

?發(fā)射極開(kāi)路時(shí)集電極和基極間的反向擊穿電壓BUcbo

基極開(kāi)路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUceo

發(fā)射極與基極間用電阻聯(lián)接或短路聯(lián)接時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcer和BUces

發(fā)射結(jié)反向偏置時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcex

且存在以下關(guān)系：

?實(shí)際使用GTR時(shí)，為了確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多?！艏姌O最大允許電流IcM?規(guī)定直流電流放大系數(shù)hFE下降到規(guī)定的1/2~1/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic。?實(shí)際使用時(shí)要留有較大裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)。◆集電極最大耗散功率PcM

?指在最高工作溫度下允許的耗散功率。?產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中在給出PcM時(shí)總是同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。

1.4.3功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管1．基本結(jié)構(gòu)在N+型高摻雜濃度的硅片墊底上外延生長(zhǎng)N-高阻漂移區(qū)，在區(qū)內(nèi)選擇地?cái)U(kuò)散出P型體區(qū)，再在P型體區(qū)選擇地?cái)U(kuò)散出N+源區(qū)。漏區(qū)通過(guò)金屬鋁模由芯片底部引出漏極D，N+源區(qū)通過(guò)金屬鋁模從芯片表面引出源極S，在N+源區(qū)上先是植入一層薄的SiO2絕緣層，然后形成控制區(qū)--柵極G，從芯片表面引出。1．基本結(jié)構(gòu)內(nèi)部有兩個(gè)P-N結(jié)，一個(gè)是漏區(qū)與P體區(qū)之間的P-N-結(jié)，稱為漏區(qū)P-N-結(jié)；另一個(gè)是P體區(qū)與源區(qū)之間的P-N+結(jié)，稱為源區(qū)P-N+結(jié)。由于源區(qū)和體區(qū)總是被金屬模短路在一起由源極線引出，因此源區(qū)P-N結(jié)總是處于零偏置狀態(tài)。1.工作原理正向截止?fàn)顟B(tài)(UGS≤0)下，漏區(qū)P-N-結(jié)反向偏置，沒(méi)有電流流過(guò)，漏源正電壓幾乎全部降落在空間電荷區(qū)。當(dāng)柵極施加正電壓(UGS≥0)時(shí)，由于柵極是絕緣的，并不會(huì)有柵極電流流過(guò)（穩(wěn)態(tài)時(shí)），但在柵極正電壓電場(chǎng)的作用下，會(huì)將其下面P區(qū)的空穴排開(kāi)，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(dāng)大于UGS某一電壓值UGS(th)時(shí)，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過(guò)空穴濃度，從而使P型反型成N型，該反型層即為溝道，這里為N型溝道。1.工作原理N溝道使得此區(qū)域的P-N-結(jié)消失，漏極和源極導(dǎo)通，電流從漏極流入，經(jīng)N區(qū)、N-區(qū)、N溝道、N+源區(qū)，從源極流出，其中稱UGS(th)為閾值電壓，UGS超過(guò)UGS(th)越多，載流子濃度越大，形成的溝道越寬，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流ID越大。這就是場(chǎng)效應(yīng)晶體管導(dǎo)電的機(jī)理。漏極電流的通路電阻由N-區(qū)電阻、溝道電阻、漏極和源極接觸電阻共同作用，當(dāng)電壓較大時(shí)，N-區(qū)電阻起主要作用。由于參與導(dǎo)電的電荷全部是電子，所以功率MOSFET為單極型器件。功率MOSFET由于不會(huì)出現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，當(dāng)截止電壓大于200-400V時(shí)，其通態(tài)壓降的理論極限值總是大于同等大小的雙極型器件，而且其電流承載能力也相對(duì)較小。另一方面，因?yàn)閮H僅由多子承擔(dān)電荷運(yùn)輸，沒(méi)有任何少子存儲(chǔ)效應(yīng)，因此，功率MOSFET很容易實(shí)現(xiàn)極短的開(kāi)關(guān)時(shí)間。但內(nèi)部寄生電容的充放電影響了其開(kāi)關(guān)速度。因?yàn)槊科椒嚼迕椎男酒娣e上的電容約可達(dá)0.3uF，在芯片尺寸很大的器件中影響MOSFET的開(kāi)關(guān)速度。這些由物理結(jié)構(gòu)所決定的電容是其最重要的寄生參數(shù)，是影響功率MOSFET開(kāi)關(guān)速度的主要因素。2基本特性1）靜態(tài)特性

則在漏源之間只有一個(gè)很小的漏電流IDSS在流動(dòng)。當(dāng)UDS增加時(shí)，IDSS也略有增加。當(dāng)VDS超過(guò)某一特定的最高允許值（鎖定電壓U(BR)DSS）時(shí)，P-N-結(jié)會(huì)發(fā)生鎖定現(xiàn)象，電流劇增。這一鎖定電壓在物理上大致對(duì)應(yīng)了MOSFET結(jié)構(gòu)中的寄生NPN雙極晶體管的擊穿電壓VCER。2.基本特性（1）靜態(tài)特性正向截止?fàn)顟B(tài)：當(dāng)外加一個(gè)正的漏源電壓VDS時(shí)，若柵源電壓VGS小于柵源開(kāi)啟電壓UGS（th），正向?qū)顟B(tài)可分為主動(dòng)區(qū)域和電阻性區(qū)域。1）主動(dòng)區(qū)域：當(dāng)柵源電壓UGS僅略大于柵極開(kāi)啟電壓時(shí)，溝道內(nèi)電流的飽和作用將產(chǎn)生一個(gè)可觀的壓降（輸出特性的水平線），此時(shí)ID由UDS控制。這個(gè)區(qū)域稱為主動(dòng)區(qū)域（飽和區(qū)），主動(dòng)區(qū)域?qū)?yīng)于GTR的線性放大區(qū)。功率器件只允許在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下工作，所以主動(dòng)區(qū)域僅在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中被經(jīng)過(guò)。一般來(lái)說(shuō)，不允許MOSFET在主動(dòng)區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，因?yàn)閁DS(th)隨溫度的上升而下降，制造偏差易引起溫升失衡。正向?qū)顟B(tài)可分為主動(dòng)區(qū)域和電阻性區(qū)域。2）電阻性區(qū)域：在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，如果ID僅僅由外電路所決定，就處于被稱為通態(tài)的阻性區(qū)域，有時(shí)也被稱為非飽和區(qū)域，對(duì)應(yīng)于GTR的飽和區(qū)域。此時(shí)的導(dǎo)通特性可以用通態(tài)電阻，即漏源電壓UDS和漏極電流ID之商來(lái)描述。在大信號(hào)區(qū)域內(nèi)，

UDS(on)=RDS(on)*ID，RDS(on)

依賴于柵源電壓UGS和芯片溫度，從25℃到125℃時(shí)大約會(huì)增加一倍。功率MOSFET的飽和是指：漏源電壓增加時(shí)漏極電流不再增加，非飽和是指：漏源電壓增加時(shí)漏極電流相應(yīng)增加。

b)當(dāng)溝道受控開(kāi)通以及Uds為較小負(fù)值（單極性電流）溝道關(guān)斷，二極管開(kāi)通溝道開(kāi)通，二極管關(guān)斷溝道：電子單極性電流；二極管：雙極性電流反向運(yùn)行：功率MOSFET的漏極和源極之間形成了一個(gè)與之反向并聯(lián)的寄生二極管，當(dāng)漏源電壓為負(fù)，且UGS小于UGS(th)時(shí)，則MOSFET會(huì)顯示出二極管特性。源漏PN結(jié)的導(dǎo)通電壓決定了MOSFET在反向時(shí)的導(dǎo)通特性。這個(gè)雙極型反向二極管可以運(yùn)行到由MOSFET所給定的電流極限。c)當(dāng)溝道受控開(kāi)通以及Uds為一較大負(fù)值（混合型電流）溝道開(kāi)通，二極管開(kāi)通實(shí)際中，這個(gè)反向二極管會(huì)：

1）導(dǎo)致較大的通態(tài)損耗，它與MOSFET本身的損耗一起，必須被散發(fā)出去。

2）在MOSFET作為硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用時(shí)具有較差的關(guān)斷特性，從而限制它的應(yīng)用范圍。（2）動(dòng)態(tài)過(guò)程在分析MOSFET的動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)，需要考慮各寄生電容的充放電過(guò)程，MOSFET的動(dòng)態(tài)特性與其寄生電容有很多關(guān)系。柵源電容CGS：可視為常量；柵漏電容：CGD:

是柵漏電壓UGD的非線性函數(shù)。穩(wěn)態(tài)時(shí)比CGS小很多，隨著漏源電壓UDS的變化，可比柵源電容CGS大20倍；米勒電容：就是柵漏電容CGD，是一個(gè)很重要的參數(shù)；輸入電容：CISS=CGS+CGD1）開(kāi)通過(guò)程：t0時(shí)刻施加?xùn)艠O正驅(qū)動(dòng)電壓,輸入電容Ciss（主要是柵源電容）開(kāi)始充電，柵極電壓UGS開(kāi)始上升。在t1時(shí)刻達(dá)到開(kāi)啟電壓，MOSFET導(dǎo)通。動(dòng)態(tài)過(guò)程寄生電容的充放電過(guò)程是影響MOSFET開(kāi)關(guān)速度的重要參數(shù)。尤其是米勒電容。在t1~t2區(qū)間內(nèi)，功率MOSFET工作在主動(dòng)區(qū)域，漏極電流隨柵源電壓的增加而增加，漏源電壓隨著負(fù)載電阻上壓降的上升而下降，此時(shí)漏端耗盡層仍有一定寬度，米勒電容仍較小，它因漏源電壓的變化而放電。隨著漏端耗盡層寬度的減小，米勒電容增加。1）開(kāi)通過(guò)程：在t2時(shí)刻，漏源電壓與柵源電壓相等，米勒電容的影響開(kāi)始變得顯著。在t2~t3區(qū)間內(nèi)，柵極充電電流流過(guò)米勒電容，導(dǎo)致漏源電壓的進(jìn)一步降低。在t3時(shí)刻，漏源電壓達(dá)到由輸出特性曲線決定的線性區(qū)的末端。在t3~t4區(qū)間內(nèi)，輸入電容Ciss被充電直到等于所加的驅(qū)動(dòng)電壓，且溝道電阻進(jìn)一步下降。在t4時(shí)刻，MOSFET的通態(tài)電阻達(dá)到最小值。2）關(guān)斷過(guò)程：在t5時(shí)刻，柵極驅(qū)動(dòng)電壓關(guān)斷到零，關(guān)斷過(guò)程開(kāi)始，輸入電容Ciss開(kāi)始放電。到t6時(shí)刻，柵源電壓稍稍降低，漏極電流基本不變，通態(tài)電阻微微上升。在t6~t7區(qū)間，米勒電容放電，此時(shí)米勒電容較大，柵源電壓基本不變，漏源電壓上升。在t7時(shí)刻，柵源電壓與漏源電壓基本相等，從此米勒電容的影響變得不明顯。在t7~t8區(qū)間，米勒電容充電，漏源電壓急劇升高，漏極電流減小，柵源電壓也減小到某個(gè)低值。在t8時(shí)刻，柵源電壓小于閾值電壓，MOSFET關(guān)斷。在t8~t9區(qū)間內(nèi)，輸入電容放電至與驅(qū)動(dòng)電壓相等。安全工作區(qū)一般來(lái)說(shuō)，功率MOSFET沒(méi)有二次擊穿問(wèn)題，其安全工作區(qū)由最大漏源電壓、最大漏電流、最大功耗及低壓部分的導(dǎo)通電阻等限制。功率MOSFET的通態(tài)電阻Ron比較大，自身導(dǎo)通功耗也較大，所以安全工作區(qū)不僅受最大漏極電流的限制，還要受到通態(tài)電阻Ron的限制。通態(tài)電阻Ron是選擇功率MOSFET時(shí)很重要的一個(gè)參數(shù)，它影響著器件整體功耗。3.主要參數(shù)（1）漏源擊穿電壓BUDS：是指UGS＝0時(shí)漏源之間的反向泄漏電流達(dá)到某一規(guī)定值時(shí)的漏源電壓。BUDS具有正的溫度系數(shù)，隨溫度的上升而上升。（2）開(kāi)啟電壓UGS(th)：又稱閾值電壓。當(dāng)柵源電壓大于開(kāi)啟電壓UGS(th)時(shí)，功率MOSFET開(kāi)始導(dǎo)通。開(kāi)啟電壓UGS(th)有負(fù)的溫度系數(shù)，UGS(th)隨著結(jié)溫的升高而下降。

(3)極間電容：一般廠家提供的是漏源短路時(shí)的輸入電容Ciss（Ciss=CGS+CGD）、共源極輸出電容Coss（Coss=CDS+CGD）及反向轉(zhuǎn)移電容Crss（Crss=CGD），這些電容都是非線性的。實(shí)驗(yàn)證明，功率MOSFET的漏源極電壓UDS越高，則極間電容越小，當(dāng)UDS>25V時(shí)，各電容值趨于穩(wěn)定。為減小這些電容，UDS應(yīng)大于10V。1.4.4絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)1.基本結(jié)構(gòu)和工作原理IGBT：結(jié)構(gòu),N+和N－在一塊P型基片上外延生長(zhǎng)而成。比MOSFET多一個(gè)P+層（引出IGBT的集電極），形成四層結(jié)構(gòu)。

IGBT可等效為由一個(gè)MOSFET和一個(gè)PNP-NPN晶體管級(jí)聯(lián)而成，由于NPN晶體管的基極和發(fā)射極短路，設(shè)計(jì)時(shí)盡可能使NPN不起作用，IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管，故IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與功率MOSFET基本相同，它是一種場(chǎng)控器件，其開(kāi)通和關(guān)斷由柵極和發(fā)射極間的電壓決定，當(dāng)UGE為正且大于開(kāi)啟電電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通。IGBT導(dǎo)通時(shí)，P+區(qū)向N+區(qū)發(fā)射少子，從而對(duì)N－漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，N－漂移區(qū)的電阻減小，使高耐壓的IGBT也具有低的通態(tài)壓降。

當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT關(guān)斷。IGBT電流由兩部分組成：一是MOSFET的溝道電流i1，另一是PNP晶體管的集電極電流i2。其中i1是IGBT電流的主要部分。當(dāng)MOSFET溝道消失后，i1消失，晶體管的基極電流被切斷，但由于N－漂移區(qū)存儲(chǔ)的少子沒(méi)有任何排放回路，只能在N－漂移區(qū)內(nèi)通過(guò)再結(jié)合而慢慢消失，因此，晶體管的集電極電流i2并不會(huì)立即消失，這就導(dǎo)致IGBT的關(guān)斷時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于MOSFET的關(guān)斷時(shí)間。2.基本特性(1)靜態(tài)特性

第一象限分為三個(gè)區(qū)：正向截止、主動(dòng)區(qū)域和飽和區(qū)域第三象限為IGBT的反向特性。2.基本特性(1)靜態(tài)特性正向截止：當(dāng)柵極－發(fā)射極電壓UGE小于柵極－發(fā)射極開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)，J2結(jié)呈反向阻斷狀態(tài)，集電極和發(fā)射極端子之間僅存在著一個(gè)很小的集電極－發(fā)射極參與漏電流ICES。ICES隨UCE增加而略微增加。當(dāng)UCE大于某一最高允許的集電極－發(fā)射極電壓UCES時(shí)，IGBT的PIN結(jié)（P體區(qū)/N－漂移區(qū)/N外延生長(zhǎng)層）會(huì)出現(xiàn)鎖定效應(yīng)。從物理的角度來(lái)說(shuō)，UCES對(duì)應(yīng)IGBT結(jié)構(gòu)中PNP晶體管的擊穿電壓UCER

。主動(dòng)區(qū)域：當(dāng)UCE只是略大于UGE(th)時(shí)，由于溝道電流的飽和效應(yīng)，溝道會(huì)出現(xiàn)一個(gè)可觀的壓降（輸出特性中的水平線）。此時(shí)，集電極電流跟隨UGE而變化。對(duì)于工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的IGBT，這一區(qū)域只是在開(kāi)關(guān)過(guò)程中被經(jīng)過(guò)，一般不允許在這一區(qū)域穩(wěn)定運(yùn)行。飽和區(qū)域：在這一區(qū)域，集電極電流IC僅由外電路決定。IGBT導(dǎo)通時(shí)工作在此區(qū)域。由于N－漂移區(qū)的少子泛濫，電導(dǎo)調(diào)制，IGBT的飽和壓降明顯低于同類型MOSFET的通態(tài)壓降，耐壓1000V的IGBT通態(tài)壓降