第5章 晶体管功率特性
合集下载
现代电力电子技术
R
uL
u2
E
+
-
触发电路产生的触发脉冲须满足下列要求： 足够的功率； 一定的宽度； 与主电路同步； 一定的移相范围。
产生的方式： 单结晶体管触发电路； 集成触发电路。
1
2
第3节 晶闸管触发电路
一、单结晶体管触发电路
等效电路
E
B2
B1
RB2
RB1
管内基极 体电阻
E
（发射极）
B2
（第二基极）
当 L >> R时， ILT在整个周期中可近似 看做直流。
5
晶闸管的中电流
IT =
IT =
平均值:
有效值:
晶闸管的选择
晶闸管电压 > （1.5 ~ 2）U2M
晶闸管电流
> （1.5）×
二、单相桥式半控整流电路
1、
电阻性负载桥式可控整流电路
（1）电路及工作原理
u2 > 0的导通路径：
u2 (A)
三、 特性与参数
1、特性
U
I
URSM
UFSM
URRM
IH
UFRM
IF
IG1=0A
IG2
IG3
IG3
IG2
IG1
>
>
正向
反向
2、主要参数
UFRM：
正向断态重复峰值电压。（晶闸管耐压值。 一般取 UFRM = 80% UFSM 。普通晶闸管 UFRM 为 100V~3000V）
URRM：反向重复峰值电压。（控制极断路时， 可以重复作用在晶闸管上的反向重复电 压。一般取URRM = 80% URSM。普通晶 闸管URRM为100V~3000V）
uL
u2
E
+
-
触发电路产生的触发脉冲须满足下列要求： 足够的功率； 一定的宽度； 与主电路同步； 一定的移相范围。
产生的方式： 单结晶体管触发电路； 集成触发电路。
1
2
第3节 晶闸管触发电路
一、单结晶体管触发电路
等效电路
E
B2
B1
RB2
RB1
管内基极 体电阻
E
（发射极）
B2
（第二基极）
当 L >> R时， ILT在整个周期中可近似 看做直流。
5
晶闸管的中电流
IT =
IT =
平均值:
有效值:
晶闸管的选择
晶闸管电压 > （1.5 ~ 2）U2M
晶闸管电流
> （1.5）×
二、单相桥式半控整流电路
1、
电阻性负载桥式可控整流电路
（1）电路及工作原理
u2 > 0的导通路径：
u2 (A)
三、 特性与参数
1、特性
U
I
URSM
UFSM
URRM
IH
UFRM
IF
IG1=0A
IG2
IG3
IG3
IG2
IG1
>
>
正向
反向
2、主要参数
UFRM：
正向断态重复峰值电压。（晶闸管耐压值。 一般取 UFRM = 80% UFSM 。普通晶闸管 UFRM 为 100V~3000V）
URRM：反向重复峰值电压。（控制极断路时， 可以重复作用在晶闸管上的反向重复电 压。一般取URRM = 80% URSM。普通晶 闸管URRM为100V~3000V）
高频电子线路(第五章 高频功率放大器)
①高效率输出 联想对比： ②高功率输出
高频功率放大器和低频功率放大器的共同 特点都是输出功率大和效率高。
7
（3）高频功率放大器的种类
谐振功率放大器（学习重点）
特点是负载是一个谐振回路，功率放大增益可
以很大，一般用于末级； 不易于自动调谐。
宽带功率放大器（了解即可）
特点是负载是传输线变压器，可在很宽的频带
工作状态 甲类 乙类 甲乙类 丙类 丁类 半导通角 c=180° c=90° 90° ＜c＜180° c＜90° 开关状态 理想效率 50% 78.5% 50%＜h＜78.5% h＞78.5% 负 载 电阻 推挽，回路 推挽 选频回路 选频回路 应 用 低频 低频，高频 低频 高频 高频
90%~100%
由于这种周期性的能量补充，所以振荡回路能维持振 荡。当补充的能量与消耗的能量相等时，电路中就建立起 动态平衡，因而维持了等幅的正弦波振荡。
34
问题二：半流通角θc通常多大合适?
如果θc取值过大，趋向甲类放大器，则效率 太低； 如果θc取值过小，效率虽然提高了，但输出 功率的绝对值太小（因为iC脉冲太低）； 这是一对矛盾，根据实验折中，人们通常 取
gC (vB VBZ )(当vB VBZ )
外部电路关系：
vB VBB Vbm cos t
v C V CC V cm cos t
31
（4）对2个问题的解释
问题一（可能会引起同学们困惑的问题）
为什么iC的波形时有时无,而输出的波形vo却能
是连续的?
问题二（有的题目已知条件不给θc,而解题 中又需要θc ）
通过LC回路,滤去无用分量，只留下 Icm1cosωt分量
高频功率放大器和低频功率放大器的共同 特点都是输出功率大和效率高。
7
（3）高频功率放大器的种类
谐振功率放大器（学习重点）
特点是负载是一个谐振回路，功率放大增益可
以很大，一般用于末级； 不易于自动调谐。
宽带功率放大器（了解即可）
特点是负载是传输线变压器，可在很宽的频带
工作状态 甲类 乙类 甲乙类 丙类 丁类 半导通角 c=180° c=90° 90° ＜c＜180° c＜90° 开关状态 理想效率 50% 78.5% 50%＜h＜78.5% h＞78.5% 负 载 电阻 推挽，回路 推挽 选频回路 选频回路 应 用 低频 低频，高频 低频 高频 高频
90%~100%
由于这种周期性的能量补充，所以振荡回路能维持振 荡。当补充的能量与消耗的能量相等时，电路中就建立起 动态平衡，因而维持了等幅的正弦波振荡。
34
问题二：半流通角θc通常多大合适?
如果θc取值过大，趋向甲类放大器，则效率 太低； 如果θc取值过小，效率虽然提高了，但输出 功率的绝对值太小（因为iC脉冲太低）； 这是一对矛盾，根据实验折中，人们通常 取
gC (vB VBZ )(当vB VBZ )
外部电路关系：
vB VBB Vbm cos t
v C V CC V cm cos t
31
（4）对2个问题的解释
问题一（可能会引起同学们困惑的问题）
为什么iC的波形时有时无,而输出的波形vo却能
是连续的?
问题二（有的题目已知条件不给θc,而解题 中又需要θc ）
通过LC回路,滤去无用分量，只留下 Icm1cosωt分量
功率场效应晶体管(MOSFET)基本知识
功率场效应晶体管(MOSFET)基本知识功率场效应管(PowerMOSFET)也叫电力场效应晶体管，是一种单极型的电压控制器件，不但有自关断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点。
由于其易于驱动和开关频率可高达500kHz，特别适于高频化电力电子装置，如应用于DC/DC变换、开关电源、便携式电子设备、航空航天以及汽车等电子电器设备中。
但因为其电流、热容量小，耐压低，一般只适用于小功率电力电子装置。
一、电力场效应管的结构和工作原理电力场效应晶体管种类和结构有许多种，按导电沟道可分为P沟道和N沟道，同时又有耗尽型和增强型之分。
在电力电子装置中，主要应用N沟道增强型。
电力场效应晶体管导电机理与小功率绝缘栅MOS管相同，但结构有很大区别。
小功率绝缘栅MOS管是一次扩散形成的器件，导电沟道平行于芯片表面，横向导电。
电力场效应晶体管大多采用垂直导电结构，提高了器件的耐电压和耐电流的能力。
按垂直导电结构的不同，又可分为2种：V形槽VVMOSFET和双扩散VDMOSFET。
电力场效应晶体管采用多单元集成结构，一个器件由成千上万个小的MOSFET组成。
N沟道增强型双扩散电力场效应晶体管一个单元的部面图，如图1(a)所示。
电气符号，如图1(b)所示。
电力场效应晶体管有3个端子：漏极D、源极S和栅极G。
当漏极接电源正，源极接电源负时，栅极和源极之间电压为0，沟道不导电，管子处于截止。
如果在栅极和源极之间加一正向电压UGS，并且使UGS大于或等于管子的开启电压UT，则管子开通，在漏、源极间流过电流ID。
UGS超过UT越大，导电能力越强，漏极电流越大。
二、电力场效应管的静态特性和主要参数PowerMOSFET静态特性主要指输出特性和转移特性，与静态特性对应的主要参数有漏极击穿电压、漏极额定电压、漏极额定电流和栅极开启电压等。
1、静态特性（1）输出特性输出特性即是漏极的伏安特性。
特性曲线，如图2(b)所示。
晶体管的开关特性
晶体管由截止区转换到饱和区，或由饱和区转换到截 止区，可以通过加在其输入端的外界信号来实现，因此转 换速度极快，可达每秒几十万次到几百万次，甚至更高。
上海电子信息职业技术学院
半导体器件物理
第五章 晶体管的开关特性
5.1 二极管的开关作用和反向恢复时间
利用二极管正、反向电流相差悬殊这一特 性，可以把二极管作开关使用。当开关K打向 A时，二极管处于正向，电流很大，相当于接 有负载的外回路与电源相连的开关闭合，回路 处于接通状态（开态）；若把K打向B，二极 管处于反向，反向电流很小，相当于外回路的 开关断开，回路处于断开状态（关态）。
练习
P106 1，4，5
上海电子信息职业技术学院
半导体器件物理
第五章 晶体管的开关特性
开关晶体管的工作状态
晶体管的工作状态完全由直流偏置情况决定。从共射输出
特性曲线上可以看出，随着偏置电压的不同，晶体管的工作区域 可以分为饱和区、放大区和截止区三个区域。
此外，当晶体管的发射极和集电极相互交换，晶体管处于倒 向运用状态时，也应该同样存在上述三个区域。
随着势垒区边界上的空穴和电子密度的增 加，P-N结上的电压逐步上升，在稳态即为VJ。 此时，二极管就工作在导通状态。
上海电子信息职业技术学院
半导体器件物理
第五章 晶体管的开关特性
当某一时刻在外电路上加的正脉冲跳变为负脉冲， 此时，正向时积累在各区的大量少子要被反向偏置电压 拉回到原来的区域，开始时的瞬间，流过P-N结的反向 电流很大，经过一段时间后，原本积累的载流子一部分 通过复合，一部分被拉回原来的区域，反向电流才恢复 到正常情况下的反向漏电流值IR。正向导通时少数载流 子积累的现象称为电荷储存效应。二极管的反向恢复过 程就是由于电荷储存所引起的。反向电流保持不变的这 段时间就称为储存时间ts。在ts之后，P-N结上的电流到 达反向饱和电流IR，P-N结达到平衡。定义流过P-N结 的反向电流由I2下降到0.1 I2时所需的时间为下降时间tf。 储存时间和下降时间之和（ts+tf）称为P-N结的关断时 间（反向恢复时间）。
上海电子信息职业技术学院
半导体器件物理
第五章 晶体管的开关特性
5.1 二极管的开关作用和反向恢复时间
利用二极管正、反向电流相差悬殊这一特 性，可以把二极管作开关使用。当开关K打向 A时，二极管处于正向，电流很大，相当于接 有负载的外回路与电源相连的开关闭合，回路 处于接通状态（开态）；若把K打向B，二极 管处于反向，反向电流很小，相当于外回路的 开关断开，回路处于断开状态（关态）。
练习
P106 1，4，5
上海电子信息职业技术学院
半导体器件物理
第五章 晶体管的开关特性
开关晶体管的工作状态
晶体管的工作状态完全由直流偏置情况决定。从共射输出
特性曲线上可以看出，随着偏置电压的不同，晶体管的工作区域 可以分为饱和区、放大区和截止区三个区域。
此外，当晶体管的发射极和集电极相互交换，晶体管处于倒 向运用状态时，也应该同样存在上述三个区域。
随着势垒区边界上的空穴和电子密度的增 加，P-N结上的电压逐步上升，在稳态即为VJ。 此时，二极管就工作在导通状态。
上海电子信息职业技术学院
半导体器件物理
第五章 晶体管的开关特性
当某一时刻在外电路上加的正脉冲跳变为负脉冲， 此时，正向时积累在各区的大量少子要被反向偏置电压 拉回到原来的区域，开始时的瞬间，流过P-N结的反向 电流很大，经过一段时间后，原本积累的载流子一部分 通过复合，一部分被拉回原来的区域，反向电流才恢复 到正常情况下的反向漏电流值IR。正向导通时少数载流 子积累的现象称为电荷储存效应。二极管的反向恢复过 程就是由于电荷储存所引起的。反向电流保持不变的这 段时间就称为储存时间ts。在ts之后，P-N结上的电流到 达反向饱和电流IR，P-N结达到平衡。定义流过P-N结 的反向电流由I2下降到0.1 I2时所需的时间为下降时间tf。 储存时间和下降时间之和（ts+tf）称为P-N结的关断时 间（反向恢复时间）。
第五章 双极型晶体管开关特性
处于饱和态的晶体管ce间压降称为饱和 压降，其值与饱和深度有关，取决于负 载电阻上承受的电源电压。 饱和时，eb结正偏约0.7V，ce间饱和 压降约0.2-0.3V，因而集电结正偏。这 是进入饱和态的重要标志。
16
§5.2 晶体管的开关作用
1. 晶体管的三个状态及开关作用
集电极饱和电流 饱和度 过驱动因子 饱和压降
将t t r时Q 0条件代入式（ 12） 5 t r p ln( Ir I f Ir If I f Ir ) )
9
t f p ln(1
§5.1 p-n结二极管的开关特性
4. 薄基区二极管中的贮存电荷
1. p-n结二极管的两个状态和开关 作用 2. 电荷贮存效应 3. 反向恢复时间的计算 5. 缩短反向恢复时间的措施
26
§5.3 晶体管的开关过程和开关时间
1. 电荷控制理论
QB n 将稳态下基区贮存的 定义基极时间常数 B IB 少子电荷与相应的基极电流联系起来。 QB 集电极时间常数 C IC QB 发射极时间常数 E IE
称为电荷控制参数，其相互关系及数值与器件本身参数有关
第五章 二极管和双极型晶体管的 开关特性
1 P-N结 2 直流特性
本章介绍二极管和晶体管的开关作用、开 关过程，并讨论晶体管开关特性与其基本 电学参数之间的关系，从而为设计和应用 开关管提供必要的理论根据。
3 频率特性
4 功率特性 5 开关特性
（6，7结型和绝 缘栅场效应晶体 管）
§5.1 p-n结二极管的开关特性 §5.2 晶体管的开关作用 §5.3 晶体管的开关过程和开关时间 §5.4 开关晶体管的正向压降和饱和
饱和区
直流负载线 Vce Vcc RL I c
16
§5.2 晶体管的开关作用
1. 晶体管的三个状态及开关作用
集电极饱和电流 饱和度 过驱动因子 饱和压降
将t t r时Q 0条件代入式（ 12） 5 t r p ln( Ir I f Ir If I f Ir ) )
9
t f p ln(1
§5.1 p-n结二极管的开关特性
4. 薄基区二极管中的贮存电荷
1. p-n结二极管的两个状态和开关 作用 2. 电荷贮存效应 3. 反向恢复时间的计算 5. 缩短反向恢复时间的措施
26
§5.3 晶体管的开关过程和开关时间
1. 电荷控制理论
QB n 将稳态下基区贮存的 定义基极时间常数 B IB 少子电荷与相应的基极电流联系起来。 QB 集电极时间常数 C IC QB 发射极时间常数 E IE
称为电荷控制参数，其相互关系及数值与器件本身参数有关
第五章 二极管和双极型晶体管的 开关特性
1 P-N结 2 直流特性
本章介绍二极管和晶体管的开关作用、开 关过程，并讨论晶体管开关特性与其基本 电学参数之间的关系，从而为设计和应用 开关管提供必要的理论根据。
3 频率特性
4 功率特性 5 开关特性
（6，7结型和绝 缘栅场效应晶体 管）
§5.1 p-n结二极管的开关特性 §5.2 晶体管的开关作用 §5.3 晶体管的开关过程和开关时间 §5.4 开关晶体管的正向压降和饱和
饱和区
直流负载线 Vce Vcc RL I c
功率场效应晶体管(MOSFET)特性与驱动电路研究
功率场效应晶体管(MOSFET)特性与驱动电路研究一．实验目的：1．熟悉MOSFET主要参数的测量方法2．掌握MOSEET对驱动电路的要求3．掌握一个实用驱动电路的工作原理与调试方法二．实验内容1．MOSFET主要参数：开启阀值电压V GS(th),跨导g FS,导通电阻R ds输出特性I D=f（Vsd）等的测试2．驱动电路的输入,输出延时时间测试.3．电阻与电阻、电感性质载时，MOSFET开关特性测试4．有与没有反偏压时的开关过程比较5．栅-源漏电流测试三．实验设备和仪器1．MCL-07电力电子实验箱中的MOSFET与PWM波形发生器部分2．双踪示波器3．毫安表4．电流表5．电压表四、实验线路见图2—2五．实验方法1．MOSFET主要参数测试（1）开启阀值电压V GS(th)测试开启阀值电压简称开启电压，是指器件流过一定量的漏极电流时（通常取漏极电流I D=1mA)的最小栅源电压。
在主回路的“1”端与MOS 管的“25”端之间串入毫安表，测量漏极电流I D，将主回路的“3”与“4”端分别与MOS 管的“24”与“23”相连，再在“24”与“23”端间接入电压表, 测量MOS 管的栅源电压Vgs ，并将主回路电位器RP 左旋到底，使Vgs=0。
将电位器RP 逐渐向右旋转，边旋转边监视毫安表的读数，当漏极电流I D =1mA 时的栅源电压值即为开启阀值电压V GS （th ）。
读取6—7组I D 、Vgs ，其中I D =1mA 必测，填入表2—6。
（2）跨导g FS 测试双极型晶体管（GTR ）通常用h FE （β）表示其增益，功率MOSFET 器件以跨导g FS 表示其增益。
跨导的定义为漏极电流的小变化与相应的栅源电压小变化量之比，即g FS =△I D /△V GS 。
典型的跨导额定值是在1/2额定漏极电流和V DS =15V 下测得，受条件限制，实验中只能测到1/5额定漏极电流值。
根据表2—6的测量数值，计算g FS 。
晶体管的特性与应用
特性
适用范围
超快速二极管
反向恢复时间较短，正向压降 主要应用在开关电源中作高 较低，反向击穿电压（耐压值） 频整流、续流元件，高频电 较高 路中的限幅、嵌位等
萧特基二极管 耐压比较低，反向漏电流比 主要应用在高频低压电路
较大，反向恢复时间较短， 开关损耗小 中
整流二极管
允许通过的电流比较大，反 广泛应用于处理频率不高 向击穿电压比较高，但PN结 的电路中 电容比较大
限幅元件
正向压降基本保持不变（硅管为0.7V，锗管为 0.3V）。利用这一特性，在电路中作为限幅元 件，可以把信号幅度限制在一定范围内。用于 电压波动较大的地方。
UPS中电压波动较大的地 方有市电侦测，电池电压 侦测，温度侦测等，所以 在送入单片机检测端时须 限幅，厂内一般使用 IN4148( 0.15A 75V) 、作为 限幅元件。
1 2 3
三极管的特性与应用
晶体三极管又称双极器件（Bipolar Junction Transistor,用BJT表示），它的基本组成部分是 两个靠得很近且背对背排列的PN结。根据排列 的方式不同，晶体三极管分为NPN和PNP两种 类型。晶体三极管和晶体二极管一样都是非线 性器件，但它们的主要特性却截然不同。晶体 二极管的主要特性是单向导电性，而晶体三极 管的主要特性则与其工作模式有关。
肖特基二极管其主要特点是正向导通压降小 （约0.45V），反向恢复时间短和开关损耗小， 存在的问题是耐压比较低，反向漏电流比较大。 目前应用在功率变换电路中的肖特基二极管的 大体水平是耐压在150V以下，平均电流在 100A以下，反向恢复时间在10～40ns。肖特基 二极管应用在高频低压电路中，是比较理想的。
晶体管开关损耗 △P ＝ ic * uc
《功率场效应晶体管》课件
太阳能逆变器是太阳能发电系 统中的重要组成部分，而功率 场效应晶体管在太阳能逆变器 中也有着广泛的应用。
06
未来功率场效应晶体管的发展趋势与挑战
技术发展趋势
01
更高频率
随着电子设备对速度和效率的需求增加，功率场效应晶体管将向更高频
率的方向发展，以满足更快的开关速度和更高的工作频率。
02
集成化与模块化
在太阳能逆变器中的应用
01
02
03
04
太阳能逆变器是太阳能发电系 统中的重要组成部分，而功率 场效应晶体管在太阳能逆变器 中也有着广泛的应用。
太阳能逆变器是太阳能发电系 统中的重要组成部分，而功率 场效应晶体管在太阳能逆变器 中也有着广泛的应用。
太阳能逆变器是太阳能发电系 统中的重要组成部分，而功率 场效应晶体管在太阳能逆变器 中也有着广泛的应用。
机运行状态的实时监测和控制。
在电动车中的应用
随着电动车的普及，功 率场效应晶体管在电动 车中的应用也日益广泛 。
电动车的电池管理系统 、电机控制器和充电桩 等关键部件中都离不开 功率场效应晶体管。
功率场效应晶体管在电 动车中的应用主要涉及 电池的充放电管理、电 机驱动和控制、能量回 收等方面。
通过使用功率场效应晶 体管，可以实现电动车 的高效、安全和可靠运 行，提高其续航里程和 性能。
降。
04
功率场效应晶体管的优缺点
优点
高效率
功率场效应晶体管在开关状态时具有很高的转换 效率，能够有效地减少能量损失。
低噪声
在信号传输过程中，功率场效应晶体管产生的噪 声较低，提高了信号的信噪比。
高速
由于其内部结构特点，功率场效应晶体管具有较 快的开关速度，适用于高频电路。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
电子器件基础
湖南大学电子科学与技术专业
1
晶体管功率特性
电子器件基础
第5章 晶体管功率特性
第1节 基区电导调制效应 第2节 有效基区扩展效应 第3节 发射极电流集边效应 第4节 晶体管最大耗散功率 第5节 晶体管二次击穿和安全工作区
2
晶体管功率特性
电子器件基础
本章要求：
掌握双极型晶体管大注入效应、基
pb p pb nb N B nb
KT E q
1 dN B 1 dnb N B nb dx N B nb dx
11
晶体管功率特性
小注入时： （nb << NB） 大注入时： （nb ～ NB）
电子器件基础
KT 1 dN B E Eb q N B dx
n0 I nEWb N B AqDnb N B
1 1 I nEWb 大注入时： a bv a b 0 2 2 AqDnb N B
随工作电流增大，β0 线性下降
21
1
晶体管功率特性
电子器件基础
3 大注入对基区渡越时间的影响
载流子基区渡越时间：
b
Wb
o
qnb ( x) dx J nE
大注入均匀基区晶体管： I nb AqDn 1
nb dnb N B nb dx
n0 n0 I nE I nb (0) AqDn 1 N B n0 Wb
18
晶体管功率特性
基区注入发射区的空穴电流：
电子器件基础
I pE
dp pe (0) AqDpe AqD pe dx We
极限参数：最高电压，最大电流，最大耗散 功率，二次击穿；
极限参数限制晶体管的安全工作区。
4
晶体管功率特性
电子器件基础
第1节 基区电导调制效应
1 基区载流子分布
晶体管放大工作： VBE>0 VBC<0 发射区电子向基区注入， 基区少子（电子）浓度增 加； 电中性要求多子（空穴） 浓度等量增加，由基极正 电源提供。
2 大注入对电流放大系数的影响
IC I nE 共射低频电流放大系数： 0 I B I pE IVR I SR
式中 IC I nC ICBO I nE IVR ICBO I nE 基区载流子线性分布近似，取平均值：
n0 0 1 nb x n0 2 2
大注入：nb ～ ppb nb >>npb pb= ppb+ nb >> ppb 基区多子浓度大大增 加，电阻率下降—— 基区电导调制。
ppb
npb
小注入：VBE>0 VBC<0 大注入：VBE>>0 VBC<0
6
晶体管功率特性
电子器件基础
平衡时基区电阻率： b q p q N pb pb pb B 晶体管放大工作时基区电阻率：
25
晶体管功率特性
电子器件基础
当场强大于104V/cm时，载流子以极限饱和 漂移速度 υS 运动； 流过集电结的电流密度为电子漂移电流密度：
JC J C J nC qS nc nc qS 代入一维泊松方程并求解得：
E （N） B （P）
pb pb nb nb npb ppb
C （N ）
小注入：VBE>0 VBC<0 大注入：VBE>>0 VBC<0
5
晶体管功率特性
电子器件基础
小注入：nb << ppb nb >> npb pb= ppb+ nb≈ ppb
E （N）
B （P） pb pb nb nb
C （N）
均匀基区晶体管小注入时：
x x J nEWb nb ( x ) (1 )n0 (1 ) Wb Wb qDnb
Wb2 基区渡越时间： b 2Dnb
22
晶体管功率特性
大注入时，均匀基区和缓变基区均为：
电子器件基础
1 x x J nEWb nb ( x ) (1 )n0 (1 ) 2 Wb Wb 2qDnb
9
晶体管功率特性
电子器件基础
大注入自建电场的作用
对多子（空穴）： 电场E 的漂移作用与浓度 梯度的扩散作用相反，即 E 阻碍空穴的进一步扩散， 达到动态平衡时，基区空 穴为稳定分布。 对少子（电子）： 电场E 的漂移作用与浓度 梯度的扩散作用相同，即 E加速电子的扩散。
N+ E P pb
○
EC N
发射区中发射结边界处少子浓度：
pe (0) pb (0)eqVBE / KT NB n0 eqVBE / KT
n0 取： v NB
代入：
Wb2 SASWb a 2 2 Lnb ADnb
b
Wb D pe N B We Dnb N E
IC I nE o I B I pE IVR I SR
Wb2 Wb2 基区渡越时间： b 4 Dnb 2 2 Dnb
大注入自建电场的作用，加速注入载流子的运动，相 当于扩散系数增加一倍； 大注入时均匀基区和缓变基区的载流子分布由大注入 决定，与原基区杂质分布无关，基区电场由大注入电场 决定，载流子基区渡越时间相同。
23
晶体管功率特性
对均匀基区晶体管： dN B
dx 0
dnb nb dnb 1 J nb qDn 1 qDn 2 N n dx 1 n N b B dx B b 忽略基区复合： J nb J nB J nE J nC
边界条件： nb Wb 0
VBC KT
q
13
晶体管功率特性
电子器件基础
qDnb 两边积分可求得：x J nB
nb ) Wb 2nb N B ln(1 NB
J nBWb 即基区少子线性分布时 1 N B nb 1 x ln(1 ) 1 移项整理后得： n0 2 n0 N B 2 Wb
19
晶体管功率特性
电子器件基础
1 v a b(1 v) 0 1 2v 小注入 n0 N B v 1 1 a b 0 1
特大注入 n0 N B 0 v 1 小注入→大注入： 注入 n0 v
1
1 0 2 a bv
即缓变基区 自建电场
对均匀基区，NB为常数，E=Eb=0
NB KT 1 dnb E Eb N B nb q N B nb dx KT 1 dnb E q N B nb dx
dx dN B dx
均匀基区 Eb=0
特大注入（nb >> NB）时： dnb
KT 1 dnb E q nb dx
无论均匀基区或缓变基区，由 大注入载流子浓度决定。
12
晶体管功率特性
电子器件基础
大注入基区载流子分布
大注入时基区电子电流密度：
nb d N B nb dnb dnb J nb q n nb E qDn qDn dx N n dx dx B b
区扩展效应和电流集边效应的本质和作
用，最大耗散功率及其影响因素；
理解二次击穿机理和安全工作区。
3
晶体管功率特性
电子器件基础
功率晶体管：工作在高电压和大电流条件下， 功率1W以上的晶体管； 晶体管功率特性：大功率条件下晶体管性能 的变化，小注入近似的假设不再成立，特别是 电流增益和特征频率随电流增加而下降，用极 限参数描述；
1
1 q pb p pb
b
7
晶体管功率特性
电子器件基础
注入基区载流子的运动 发射区注入到基 区的少子（电子）在 浓度梯度作用下继续 向集电结扩散，到达 集电结的电子在集电 结反向电场EC作用下 通过集电区，形成集 电极电流。
EC N+ P pb n0 nb
●
N
ppb
npb
大注入：VBE>>0 VBC<0
电子器件基础
4 大注入临界电流密度
取临界大注入：nb ( x) N B
基区载流子线性分布近似，取平均值：
1 J nEWb nb x n0 2 2qDnb
临界大注入电流密度——大注入判据：
2qDnb N B J er Wb
即当 nb ( x) N B 时发生大注入现象， J nE J er
Wb
x
)
nb x 1 x 1 N B (0) (1 ) (e e n0 2 Wb 2 n0
n0 N B 0
Wb
x
)
nb ( x) 1 x (1 ) no 2 Wb
16
大注入时，缓变基区与均匀基区具有相同结果。
晶体管功率特性
电子器件基础
n0
ppb
nb
●
npb 大注入：VBE>>0 VBC<0
10
晶体管功率特性
电子器件基础
大注入自建电场的表示
dpb 基区空穴电流密度： J pb q p pb E qD pb dx 动态平衡时净空穴电流： J pb 0
Dp 1 dpb 自建电场： E p pb dx
Dp
KT p q
(Wb x ) J nB Wb Wb 解得： nb ( x) e 1 qDnb
15
晶体管功率特性
特大注入 nb N B 微分方程为：
电子器件基础
dnb J nB NB 0 dx 2Wb 2qDnb
湖南大学电子科学与技术专业
1
晶体管功率特性
电子器件基础
第5章 晶体管功率特性
第1节 基区电导调制效应 第2节 有效基区扩展效应 第3节 发射极电流集边效应 第4节 晶体管最大耗散功率 第5节 晶体管二次击穿和安全工作区
2
晶体管功率特性
电子器件基础
本章要求：
掌握双极型晶体管大注入效应、基
pb p pb nb N B nb
KT E q
1 dN B 1 dnb N B nb dx N B nb dx
11
晶体管功率特性
小注入时： （nb << NB） 大注入时： （nb ～ NB）
电子器件基础
KT 1 dN B E Eb q N B dx
n0 I nEWb N B AqDnb N B
1 1 I nEWb 大注入时： a bv a b 0 2 2 AqDnb N B
随工作电流增大，β0 线性下降
21
1
晶体管功率特性
电子器件基础
3 大注入对基区渡越时间的影响
载流子基区渡越时间：
b
Wb
o
qnb ( x) dx J nE
大注入均匀基区晶体管： I nb AqDn 1
nb dnb N B nb dx
n0 n0 I nE I nb (0) AqDn 1 N B n0 Wb
18
晶体管功率特性
基区注入发射区的空穴电流：
电子器件基础
I pE
dp pe (0) AqDpe AqD pe dx We
极限参数：最高电压，最大电流，最大耗散 功率，二次击穿；
极限参数限制晶体管的安全工作区。
4
晶体管功率特性
电子器件基础
第1节 基区电导调制效应
1 基区载流子分布
晶体管放大工作： VBE>0 VBC<0 发射区电子向基区注入， 基区少子（电子）浓度增 加； 电中性要求多子（空穴） 浓度等量增加，由基极正 电源提供。
2 大注入对电流放大系数的影响
IC I nE 共射低频电流放大系数： 0 I B I pE IVR I SR
式中 IC I nC ICBO I nE IVR ICBO I nE 基区载流子线性分布近似，取平均值：
n0 0 1 nb x n0 2 2
大注入：nb ～ ppb nb >>npb pb= ppb+ nb >> ppb 基区多子浓度大大增 加，电阻率下降—— 基区电导调制。
ppb
npb
小注入：VBE>0 VBC<0 大注入：VBE>>0 VBC<0
6
晶体管功率特性
电子器件基础
平衡时基区电阻率： b q p q N pb pb pb B 晶体管放大工作时基区电阻率：
25
晶体管功率特性
电子器件基础
当场强大于104V/cm时，载流子以极限饱和 漂移速度 υS 运动； 流过集电结的电流密度为电子漂移电流密度：
JC J C J nC qS nc nc qS 代入一维泊松方程并求解得：
E （N） B （P）
pb pb nb nb npb ppb
C （N ）
小注入：VBE>0 VBC<0 大注入：VBE>>0 VBC<0
5
晶体管功率特性
电子器件基础
小注入：nb << ppb nb >> npb pb= ppb+ nb≈ ppb
E （N）
B （P） pb pb nb nb
C （N）
均匀基区晶体管小注入时：
x x J nEWb nb ( x ) (1 )n0 (1 ) Wb Wb qDnb
Wb2 基区渡越时间： b 2Dnb
22
晶体管功率特性
大注入时，均匀基区和缓变基区均为：
电子器件基础
1 x x J nEWb nb ( x ) (1 )n0 (1 ) 2 Wb Wb 2qDnb
9
晶体管功率特性
电子器件基础
大注入自建电场的作用
对多子（空穴）： 电场E 的漂移作用与浓度 梯度的扩散作用相反，即 E 阻碍空穴的进一步扩散， 达到动态平衡时，基区空 穴为稳定分布。 对少子（电子）： 电场E 的漂移作用与浓度 梯度的扩散作用相同，即 E加速电子的扩散。
N+ E P pb
○
EC N
发射区中发射结边界处少子浓度：
pe (0) pb (0)eqVBE / KT NB n0 eqVBE / KT
n0 取： v NB
代入：
Wb2 SASWb a 2 2 Lnb ADnb
b
Wb D pe N B We Dnb N E
IC I nE o I B I pE IVR I SR
Wb2 Wb2 基区渡越时间： b 4 Dnb 2 2 Dnb
大注入自建电场的作用，加速注入载流子的运动，相 当于扩散系数增加一倍； 大注入时均匀基区和缓变基区的载流子分布由大注入 决定，与原基区杂质分布无关，基区电场由大注入电场 决定，载流子基区渡越时间相同。
23
晶体管功率特性
对均匀基区晶体管： dN B
dx 0
dnb nb dnb 1 J nb qDn 1 qDn 2 N n dx 1 n N b B dx B b 忽略基区复合： J nb J nB J nE J nC
边界条件： nb Wb 0
VBC KT
q
13
晶体管功率特性
电子器件基础
qDnb 两边积分可求得：x J nB
nb ) Wb 2nb N B ln(1 NB
J nBWb 即基区少子线性分布时 1 N B nb 1 x ln(1 ) 1 移项整理后得： n0 2 n0 N B 2 Wb
19
晶体管功率特性
电子器件基础
1 v a b(1 v) 0 1 2v 小注入 n0 N B v 1 1 a b 0 1
特大注入 n0 N B 0 v 1 小注入→大注入： 注入 n0 v
1
1 0 2 a bv
即缓变基区 自建电场
对均匀基区，NB为常数，E=Eb=0
NB KT 1 dnb E Eb N B nb q N B nb dx KT 1 dnb E q N B nb dx
dx dN B dx
均匀基区 Eb=0
特大注入（nb >> NB）时： dnb
KT 1 dnb E q nb dx
无论均匀基区或缓变基区，由 大注入载流子浓度决定。
12
晶体管功率特性
电子器件基础
大注入基区载流子分布
大注入时基区电子电流密度：
nb d N B nb dnb dnb J nb q n nb E qDn qDn dx N n dx dx B b
区扩展效应和电流集边效应的本质和作
用，最大耗散功率及其影响因素；
理解二次击穿机理和安全工作区。
3
晶体管功率特性
电子器件基础
功率晶体管：工作在高电压和大电流条件下， 功率1W以上的晶体管； 晶体管功率特性：大功率条件下晶体管性能 的变化，小注入近似的假设不再成立，特别是 电流增益和特征频率随电流增加而下降，用极 限参数描述；
1
1 q pb p pb
b
7
晶体管功率特性
电子器件基础
注入基区载流子的运动 发射区注入到基 区的少子（电子）在 浓度梯度作用下继续 向集电结扩散，到达 集电结的电子在集电 结反向电场EC作用下 通过集电区，形成集 电极电流。
EC N+ P pb n0 nb
●
N
ppb
npb
大注入：VBE>>0 VBC<0
电子器件基础
4 大注入临界电流密度
取临界大注入：nb ( x) N B
基区载流子线性分布近似，取平均值：
1 J nEWb nb x n0 2 2qDnb
临界大注入电流密度——大注入判据：
2qDnb N B J er Wb
即当 nb ( x) N B 时发生大注入现象， J nE J er
Wb
x
)
nb x 1 x 1 N B (0) (1 ) (e e n0 2 Wb 2 n0
n0 N B 0
Wb
x
)
nb ( x) 1 x (1 ) no 2 Wb
16
大注入时，缓变基区与均匀基区具有相同结果。
晶体管功率特性
电子器件基础
n0
ppb
nb
●
npb 大注入：VBE>>0 VBC<0
10
晶体管功率特性
电子器件基础
大注入自建电场的表示
dpb 基区空穴电流密度： J pb q p pb E qD pb dx 动态平衡时净空穴电流： J pb 0
Dp 1 dpb 自建电场： E p pb dx
Dp
KT p q
(Wb x ) J nB Wb Wb 解得： nb ( x) e 1 qDnb
15
晶体管功率特性
特大注入 nb N B 微分方程为：
电子器件基础
dnb J nB NB 0 dx 2Wb 2qDnb