双极晶体管功率特性
双极功率晶体管与场效应晶体管的比较
双极功率晶体管与场效应晶体管的比较导言：在电子元件领域，功率晶体管被广泛应用于功率放大和开关电路中，而双极功率晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT）和场效应晶体管（Field-Effect Transistor，FET）是其中两种常见的类型。
本文将对这两种晶体管进行比较，包括工作原理、特性和应用等方面。
一、工作原理1. 双极功率晶体管：双极功率晶体管是一种三层晶体管，由两个PN结组成。
在工作过程中，控制电流被注入基极结，通过基极电流来控制负载电流。
当基极电流达到一定的阈值，集电极-发射极之间的电流就会增加。
它可以工作在放大模式和开关模式下。
2. 场效应晶体管：场效应晶体管是一种由栅、源和漏三个极端组成的四层结构。
其中，源极和漏极之间通过栅极电压控制电流流动。
当栅极电压改变时，导电层的宽度也会发生变化，从而影响了电流流动。
它可分为MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）和IGBT（绝缘栅双极性晶体管）两大类。
二、特性比较1. 工作频率：双极功率晶体管由于涉及较多的电子动量传递过程，因此其最高工作频率相对较低，一般在几百MHz到几十GHz之间。
而场效应晶体管由于操作时只涉及电场效应，因此可实现更高的工作频率，达到几十GHz以上。
2. 控制电流：双极功率晶体管需要基极电流来激活，并且在工作过程中需要消耗一定的功率。
而场效应晶体管的控制电流非常小，在无功耗的情况下可以实现更高的效率。
3. 输入电阻和噪音：双极功率晶体管具有相对较低的输入电阻，因此主要用于对输入电阻较高的传感器和信号源进行放大。
而场效应晶体管具有非常高的输入电阻，适用于对电阻要求较低的应用，例如放大信号源。
4. 开关特性：双极功率晶体管在开关模式下对负载电流的响应速度非常快，具有较高的开关速度。
而场效应晶体管需要时间来响应并建立沟道，其开关速度相对较慢。
三、应用领域1. 双极功率晶体管：双极功率晶体管广泛应用于音频放大器、功率放大器、调制器、开关电源等领域。
什么是单极型晶体管和双极型晶体管？
什么是单极型晶体管和双极型晶体管？
一、单极型晶体管
单极型晶体管也称场效应管，简称FET(Field Effect Transistor)。
它是一种电压控制型器件，由输入电压产生的电场效应来控制输出电流的大小。
它工作时只有一种载流子(多数载流子)参与导电，故称为单极型晶体管。
特点：
输入电阻高，可达107 ~ 1015 Ω，绝缘栅型场效应管(IGFET) 可高达1015 Ω。
噪声低，热稳定性好，工艺简单，易集成，器件特性便于控制，功耗小，体积小，成本低。
分类：
根据材料的不同可分为结型场效应管JFET (Junction Field Effect Transistor)和绝缘栅型场效应管IGFET(Insulated Gate FET) 。
二、双极型晶体管
双极型晶体管也称晶体三极管，它是一种电流控制型器件，由输入电流控。
半导体器件物理(第四章 双极型晶体管及其特性)
4.1 晶体管结构与工作原理 三极电流关系
I E I B IC
对于NPN晶体管，电子电流是主要成分。电子从发射极出发，通 过发射区到达发射结，由发射结注入到基区，再由基区输运到集电结 边界，然后又集电结收集到集电区并到达集电极，最终称为集电极电 流。这就是晶体管内部载流子的传输过程。 电子电流在传输过程中有两次损失：一是在发射区，与从基区注 入过来的空穴复合损失；而是在基区体内和空穴的复合损失。因此
* 0
可见，提高电流放大系数的途径是减小基区平均掺杂浓度、减 薄基区宽度Wb以提高RsB，提高发射区平均掺杂浓度以减小RsE。另外， 提高基区杂质浓度梯度，加快载流子传输，减少复合；提高基区载 流子的寿命和迁移率，以增大载流子的扩散长度，都可以提高电流 放大系数。
4.2 晶体管的直流特性 4.2.1 晶体管的伏安特性曲线 1.共基极晶体管特性曲线
' ine 1 jCTe 1 ine re 1 jCTe 1 jreCTe
re in e
iCTe
' in e
交流发射效率
1 0 1 jre CTe
CTe
re CTe e
发射极延迟时间
4.3 晶体管的频率特性
2．发射结扩散电容充放电效应对电流放大系数的影响
虽然共基极接法的晶体管不能放大电流，但是由于集电极可以 接入阻抗较大的负载，所以仍然能够进行电压放大和功率放大。
4.1 晶体管结构与工作原理
（2）共发射极直流电流放大系数
IC 0 IB
（3）α0和β0的关系
C
IC
N
IB
B
I IC I I 0 C C E 0 I B I E IC 1 IC I E 1 0
微电子器件第四章功率特性
J ne
nb (0) 2qDnb Wb
图4-2 大注入下缓变基区晶体管基区电子浓度分布[33]
结论：大注入对缓变基区晶体管基区电子及其电流密度的影 响与对均匀基区晶体管的相似。
这是因为在大注入条件下的缓变基区中，大注入自建电场对基区多
子浓度梯度的要求与基区杂质电离以后形成的多子浓度梯度方向是一致 的，这时杂质电离生成的多子不再象小注入时那样向集电结方向扩散并
注入载流子以及为维持电中性而增加的多子使 得基区电阻率显著下降，并且电阻（导）率随 注入水平变化，称为基区电导调制效应
可见，非平衡少子浓度的变化引起基区电阻率的变化（调制） 实际上，引起电阻率变化的因素包括高浓度的非平衡少子，但 作为基区电导调制效应影响电流放大系数（发射效率）的是基 区多子——空穴
dx dn J n q n pE qDn dx
对多子空穴,动态平衡时,扩散流等于漂移流, J p 0 dp( x) kT 1 dp( x) p ( x) p E D p E dx q p( x) dx
p( x) N B ( x) nb ( x) E dnb kT 1 d kT NB 1 dNB 1 ( N B nb ) ( ) q N B nb dx q N B nb N B dx N B nb dx
建立缓变基区自建电场，而是按照基区大注入自建电场的要求去重新分
布。 因此，不同电场因子的缓变基区在大注入下有相同的电子浓度分布。 可以说，在大注入情况下，大注入自建电场取代（掩盖）了由于杂质分 布不均匀所形成的电场（缓变基区自建电场）。
在(大注入、缓变基区)自建电场E作用下 dp J p q p pE qDp
eWb I neWb Wb2 SASWb (1 ) 2 b b Lpe 2 Ae qDnb N b 4 Lnb 2 Ae Dnb
第五章 双极型晶体管开关特性
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
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的工作原理、基本特性、主要参数
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的工作原理、基本特性、主要参数绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一种复合型电力电子器件。
它结合了MOSFET和电力晶体管GTR的特点，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有输入通态电压低、耐压高和承受电流大的优点，因而具有良好的特性。
自1986年IGBT开始投入市场以来，就迅速扩展了其应用领域，目前已取代了原来GTR和一部分MOSFET的市场，成为中、小功率电力电子设备的主导器件，并在继续努力提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。
IGBT的结构与工作原理IGBT是三端器件。
具有栅极G、集电极C和发射极E。
图1（a）给出了一种由N 沟道MOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT的基本结构。
与MOSFET对照可以看出，IGBT比MOSFET多一层P+注入区，因而形成了一个大面积的PN结J1。
这样使得IGBT导通时由P+注入区向N基区发射载流子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。
图1 IGBT的结构、等效电路和电气符号从图1可以看出，这是用双极型晶体管与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的PNP晶体管，RN为晶体管基区内的调制电阻。
因此，IGBT 的驱动原理与MOSFET基本相同，它是一种场控器件，其开通和关断是由栅射电压uGE决定的，当uGE为正且大于开启电压UGE（th）时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流，进而使IGBT导通。
由于前面提到的电导调制效应，使得电阻RN减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。
当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。
上述PNP晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT称为N沟道IGBT，记为N-IGBT，其电气图形符号如图1（c）所示。
双极型晶体管介绍
晶体管的极限参数
双极型晶体管（Bipolar Transistor）
由两个背靠背PN结构成的具有电流放大作用的晶体三极管。起源于1948年发明的点接触晶体三极管，50年代初发展成结型三极管即现在所称的双极型晶体管。双极型晶体管有两种基本结构：PNP型和NPN型。在这3层半导体中，中间一层称基区，外侧两层分别称发射区和集电区。当基区注入少量电流时，在发射区和集电区之间就会形成较大的电流，这就是晶体管的放大效应。双极型晶体管是一种电流控制器件，电子和空穴同时参与导电。同场效应晶体管相比，双极型晶体管开关速度快，但输入阻抗小，功耗大。双极型晶体管体积小、重量轻、耗电少、寿命长、可靠性高，已广泛用于广播、电视、通信、雷达、计算机、自控装置、电子仪器、家用电器等领域，起放大、振荡、开关等作用。
BVceo---基极开路，CE结击穿电压
BVebo---集电极开路EB结击穿电压
BVces---基极与发射极短路CE结击穿电压
BV cer---基极与发射极串接一电阻，CE结击穿电压
D---占空比
fT---特征频率
fmax---最高振荡频率。当三极管功率增益等于1时的工作频率
hFE---入阻抗
hOE---共发射极静态输出电导
h RE---共发射极静态电压反馈系数
hie---共发射极小信号短路输入阻抗
hre---共发射极小信号开路电压反馈系数
hfe---共发射极小信号短路电压放大系数
hoe---共发射极小信号开路输出导纳
IB---基极直流电流或交流电流的平均值
双极型晶体管极限参数
★最大集电极耗散功率如图所示。
★最大集电极电流:使b下降到正常值的１／２～２／３时的集电极电流称之为集电极最大允许电流。
实验一双极型晶体管特性参数测量
实验一双极型晶体管特性参数测量实验目的：1.掌握双极型晶体管的基本特性参数的测量方法；2.了解双极型晶体管的放大特性。
实验仪器和材料：1.双踪示波器2.双极型晶体管3.功率电源4.电阻器5.电容器6.变阻器7.万用表实验原理：双极型晶体管是一种常用的电子元器件，通常用于放大电信号。
为了评估双极型晶体管的性能，需要测量其一些重要的特性参数，包括静态特性参数和动态特性参数。
常用的双极型晶体管特性参数有：1.静态参数a.静态输入特性：基极电流-基极电压（IB-VBE）特性曲线，用于描述基极电流与基极电压之间的关系；b.静态输出特性：集电极电流-集电极电压（IC-VCE）特性曲线，用于描述集电极电流与集电极电压之间的关系；c.静态放大系数：集电极电流与基极电流之间的比值，常用符号（β或hFE）表示；2.动态参数a.数字电压放大倍数：用于评估双极型晶体管的放大能力；b.动态输入电阻：输入信号变化引起的基极电流变化与基极电压变化之比，用于衡量信号源和输入电路之间的匹配程度；c.动态输出电阻：输出信号变化引起的集电极电流变化与集电极电压变化之比，用于评估输出电路和负载电阻之间的匹配程度。
实验步骤：1.连接电路。
按照实验电路图连接电路，确保电源的接线正确。
2.静态特性参数的测量。
b.测量不同电阻值时的IC1，记录数据c.改变基极电流IB，测量IC2的值，记录数据d.根据数据计算静态放大系数β3.动态特性参数的测量。
b.改变输入信号频率，测量输出信号幅度和相位，记录数据。
c.根据数据计算动态输入、输出电阻的值。
实验结果分析：根据实验测量到的数据，可以得到双极型晶体管的静态和动态特性参数，通过比较这些参数与标称值的差异，可以评估器件工作是否稳定。
同时，根据实验结果也可以评估双极型晶体管的放大能力和输入输出电阻的匹配情况。
注意事项：1.连接电路时，注意电源极性及电路连接的正确性，避免短路或错误连接的风险。
2.测量过程中要及时记录数据，保证准确性和可靠性。
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I n AE qni2 DB
qVBE exp kT
WB
0
pdx
QBB QBB 0 QB QBB 0 I n b
qVBE exp kT QBB 0 I n b
分子分母同乘以AEq
QEE QEE 0 QE QEE 0
pdx ndx
WB
WB
WB
b
0
WB
pdx
0
ndx
DB p 0 n 0
均匀基区小注入
b W 1 1 B 2L
* 2 B 2 B
WB
0
WB
pdx
0
ndx N BWB
1 n 0 WB 2
p 0 n 0 N B n 0
2
缓变基区小注入 * 1 WB L2 B
qVBE exp kT QEE 0
In
AE qni
Ip In
2
DB
Ip
AE qni
2
DE
1
1
DE
QBB 0
I n b
DB QEE 0
大注入
I n b QBB 0 , b
2 WB 4 DB
DW 1 E Ic 4DBQEE0
3.9 Байду номын сангаас极型晶体管的功率特性
1、 大注入效应 大电流（大注入） 内容 2 、有效基区扩展效应 3、发射极电流集边效应
大功率
4、 晶体管最大耗散功率PCM 5、二次击穿和安全工作区
高电压（击穿）
1、 大注入效应
1）任意注入下基区内建电场 （1）大小注入的概念
pb(x) pb(x) nb(x) nb(x)
WB
Jn
0
pdx qDB pn x W pn x 0 B
pn x 0
qV qV exp BE exp BC kT kT I n AE qni2 DB WB
qV BE ni2 exp kT qV BC pn x W ni2 exp B kT
2 B
大注入时，γ随Ic 的增加而下降
6）电流放大系数随工作点的变化 大注入
2 DE WB 1 Ic 4 DB QEE 0
*
2 WB 1 4 L2 B
E Ic 4L 4 DB QEE 0
W
2 B 2 B
DW
2 B
1
2、 基区扩展效应 1）少子电荷对集电结电场分布的影响 注入水平增加 集电结空间电荷区载流子浓度
E x q N C n dE dx s q NC n
E N+
B P N-
C N+
⑦
⑧
0
WC
s
x E 0
J CH q N C qvmax x E x
n Jc qv
增加
(p侧）
qN B dE dx s
E
+ n N
B P
C
① ② ⑦ N⑥ N+
(n-侧）
q N C n dE dx s
③ ④ ⑤
0
集电结空间电荷区电场分布发生变化
WC
2）强电场下的基区纵向扩展 当JC增加到E(0)=0时， JC继续增加，基区开始 扩展。 E(0)=0时对应的注入电 流密度为临界电流密度 用JCH表示 (n-侧）
小注入 E
E
kT 1 dn q n dx
大注入
③作用： 加速少子通过基区
2）任意注入下的电流－电压关系
E kT 1 dp q p dx
J n q n nE qDn
dn dx
爱因斯坦关系
Jn d pn 1 qDB p dx
电流方向与x正向相反
等式两边在0～WB 范围内进行积分
2 W * 1 B 4LB
WB
大注入
0
WB
pdx
0
ndx
1 1 n 0 WB n 0 WB 2 2
的 变化范围 结论：
*
均匀基区 晶体管
*
1
W 2 LB
2 B 2
*
2 WB 1 4 L2 B
缓变基区 * 晶体管
2 WB 1 L2 B
WB
qVBE exp kT
WB
b
0
WB
pdx
2 i
0
WB
ndx
DB n
qVBE exp kT
0
WB
0
pdx
WB
pdx
0
ndx
DB p 0 n 0
QB AE q
0
ndx
*
b 0 0 1 1 B DB B p 0 n 0
*
2 WB 1 4 L2 B
在大注入时，基区扩散系数趋于一致，形式上与均匀基区晶体 管小注入的情况相同，只是扩散系数增大一倍。 原因： 在大注入时，高浓度的非平衡载流子减弱了基区平衡多子的浓 度的作用，自建电场仅由大注入形成，由于大注入自建电场的 作用，所以扩散系数增大一倍。
4）任意注入下的结定律（注入强度对载流子分布的影响) 结定律： 中性区与势垒区边界上的少子浓度与结电压之间的关系 小注入： n qV
n 0
2 i
NB
exp
BE
kT
大注入：
qVBE n 0 ni exp 2kT
特点：
n(0)与VBE的关系指数因子降为qVBE/2kT,而且n(0)与NB无关。
5）任意注入下的发射结注入效率
In
AE qni
2
DB
qVBE exp kT QBB
pdx
0
乘以发射结面积
3）任意注入下的基区度越时间与输运系数
b
QB In
In
A
E
qni2
D
qVBC qVBE exp exp kT kT
WB
B
0
pdx
发射结正偏，且VBE＞＞kT/q,集电结反偏
I n AE qni2 DB
小注入
大注入
（2）大注入自建电场的产生 ①原因： 多子的浓度梯度 ②大小： 理论依据 多子电流为零
J p q p pE qD p dp 0 dx
E
pb(x) nb(x)
kT 1 dp p NB n q P dx
E
kT 1 dN B q NB dx
kT 1 dn dN B q n N B dx dx