第四章晶体管的频率特性与功率特性
电力电子半导体器件(GTR)
§4.1 GTR结构
双极型大功率、高反压晶体管——GTR （巨型晶体管） Giant Transistor 三层半导体材料，两个PN结(NPN型、PNP型)。
一、工艺特点
三重扩散；叉指型基极和发射极； 特点：发射区高浓度掺杂
基区很薄（几um—几十um）
N-掺杂浓度低，提高耐压能力 N+集电区收集电子
TC=250C VCE=2V
TC=250C，VCE=－2V
③管子温度相同时，VCE越大，β越大。
④β随温度增加而增加，大电流下，β随温度增加而减小。
⑤GTR反接时，β很小。
4．最大额定值——极限参数 由GTR材料、结构、设计水平、制造工艺决定。
①最高电压额定值： BVCEO，BVCBO，BVCES，BVCER，BVCEX
③快速保护功能： GTR故障时，自动关断基极驱动信号，保护GTR。 如:抗饱和、退抗饱和、过流、过压、过热、脉宽限制、 智能化自保护能力。
二、基极驱动电路基本形式
（一）恒流驱动电路：
基极电流恒定，不随IC电流变化而变化。 IB > ICmax / β 问题:空载、轻载时，饱和深度加剧，存储时间大，关断时间长。 改进：1．抗饱和电路（贝克嵌位电路）
③最高结温TJM 塑封，硅管：1250～1500C； 金属封装，硅管：1500～1750C； 高可靠平面管：1750～2000C；
④最大功耗PCM PCM = VCE• IC 受结温限制，使用时注意散热条件。
例：3DF20型GTR各最大额定值参数：
二、动态特性与参数 动态特性是GTR开关过程的瞬态性能，称开关特性；主要受
VD1引入，加速V2、V1的同时关断 ，引出B2极可另外控制。
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
半导体器件与工艺(4)
影响晶体管的直流电流放大系数的因素
发射结空间电荷区复合对电流放大系数的影响
影响晶体管的直流电流放大系数的因素
发射区重掺杂对电流放大系数的影响
影响晶体管的直流电流放大系数的因素
基区宽变效应对电流放大系数的影响
影响晶体管的直流电流放大系数的因素
温度对电流放大系数的影响
晶体管的直流伏安特性曲线（共基极）
电流放大系数如何变化并计算厄尔利电压。
晶体管的直流电流放大系数
4.某厂在试制晶体管时，由于不注意清洁卫生，在高温扩散 时引入了金、镍等杂质，结果得到如图所示的晶体管输出特 性曲线。你能否说明这个输出特性曲线与标准输出特性曲线 的差别在哪里，原因是什么？
晶体管的直流电流放大系数
5.某厂在试制NPN平面管时，发现所得到的输出特性曲线为 “靠背椅”式，如图所示。你能否用基区表面形成反省层 （即所谓“沟道” ）来解释这种输出特性曲线？
晶体管的直流伏安特性曲线（共射极）
两种组态输出特性曲线比较
(1) 电流放大系数的差别 (2) UCE 增大对电流放大系数的影响 (3) UCE 减小对输出电流的影响
晶体管的穿通电压 （基区穿通）
晶体管的穿通电压 （外延层穿通）
外延层穿通所决定的击穿电压
BUCBO
UB
Wc X mc
发射极电流集边效应
晶体管的功率特性
发射极电流集边效应
晶体管的功率特性
发射极电流集边效应
晶体管的功率特性
发射极电流集边效应
jB (x) jB (0) (e 1) jB (0)
x
Seff
jB (x)
(e 1) jB (0) Seff
x
jB (0)
晶体管的主要参数有电流放大系数
晶体管的主要参数有电流放大系数、耗散功率、频率特性、集电极最大电流、最大反向电压、反向电流等。
※电流放大系数电流放大系数也称电流放大倍数，用来表示晶体管放大能力。
根据晶体管工作状态的不同，电流放大系数又分为直流电流放大系数和交流电流放大系数。
1．直流电流放大系数直流电流放大系数也称静态电流放大系数或直流放大倍数，是指在静态无变化信号输入时，晶体管集电极电流IC与基极电流IB的比值，一般用hFE或β表示。
2．交流电流放大系数交流电流放大系数也称动态电流放大系数或交流放大倍数，是指在交流状态下，晶体管集电极电流变化量△IC与基极电流变化量△IB的比值，一般用hfe或β表示。
hFE或β既有区别又关系密切，两个参数值在低频时较接近，在高频时有一些差异。
※耗散功率耗散功率也称集电极最大允许耗散功率PCM，是指晶体管参数变化不超过规定允许值时的最大集电极耗散功率。
耗散功率与晶体管的最高允许结温和集电极最大电流有密切关系。
晶体管在使用时，其实际功耗不允许超过PCM值，否则会造成晶体管因过载而损坏。
通常将耗散功率PCM小于1W的晶体管称为小功率晶体管，PCM等于或大于1W、小于5W的晶体管被称为中功率晶体管，将PCM等于或大于5W的晶体管称为大功率晶体管。
※频率特性晶体管的电流放大系数与工作频率有关。
若晶体管超过了其工作频率范围，则会出现放大能力减弱甚至失去放大作用。
晶体管的频率特性参数主要包括特征频率fT和最高振荡频率fM等。
1．特征频率fT 晶体管的工作频率超过截止频率fβ或fα时，其电流放大系数β值将随着频率的升高而下降。
特征频率是指β值降为1时晶体管的工作频率。
通常将特征频率fT小于或等于3MHZ的晶体管称为低频管，将fT大于或等于30MHZ的晶体管称为高频管，将fT大于3MHZ、小于30MHZ的晶体管称为中频管。
2．最高振荡频率fM 最高振荡频率是指晶体管的功率增益降为1时所对应的频率。
通常，高频晶体管的最高振荡频率低于共基极截止频率fα，而特征频率fT则高于共基极截止频率fα、低于共集电极截止频率fβ。
aax (mmbta42)晶体管 技术参数
AAX (MMBTA42) 晶体管技术参数摘要：AAX (MMBTA42) 是一种常用的 NPN 型晶体管，它具有优良的性能和稳定性，广泛应用于各种电子设备中。
本文将对 AAX (MMBTA42) 晶体管的技术参数进行详细介绍，包括其主要特性、电气参数、尺寸和封装形式等方面的内容。
通过对这些技术参数的了解，可以更好地应用和选用 AAX (MMBTA42) 晶体管，为电子设备的设计和制造提供可靠的技术支持。
一、主要特性AAX (MMBTA42) 晶体管具有以下主要特性：1. 高频率响应：AAX (MMBTA42) 晶体管具有出色的高频率响应特性，适用于高频放大和振荡电路。
2. 低噪声系数：AAX (MMBTA42) 晶体管的噪声系数较低，可以有效减小信号的干扰和失真。
3. 高电流增益：AAX (MMBTA42) 晶体管具有较高的电流增益，适用于需要较大信号放大的电路设计。
4. 低饱和电压：AAX (MMBTA42) 晶体管的饱和电压较低，可以减小功耗和提高电路效率。
二、电气参数AAX (MMBTA42) 晶体管的典型电气参数如下：1. 最大耐压：AAX (MMBTA42) 晶体管的最大耐压为 75V，可以满足大多数电子设备的工作电压要求。
2. 最大电流：AAX (MMBTA42) 晶体管的最大连续电流为 500mA，最大脉冲电流为 1A，能够满足电路的大电流要求。
3. 最大功率：AAX (MMBTA42) 晶体管的最大功率为 625mW，在一定的散热条件下可以实现可靠的工作。
4. 管脚电阻：AAX (MMBTA42) 晶体管的管脚电阻较小，有利于降低传输线的损耗和提高电路的稳定性。
三、尺寸和封装形式AAX (MMBTA42) 晶体管的尺寸和封装形式如下：1. 封装类型：AAX (MMBTA42) 晶体管常见的封装类型为 SOT-23，便于在电路板上进行焊接和安装。
2. 外形尺寸：AAX (MMBTA42) 晶体管的外形尺寸为 2.9mm x1.3mm x 1.1mm，适合于紧凑型电子设备的设计和布局。
功率晶体管(GTR)的特性
功率晶体管（GTR)的特性功率晶体管（GTR）具有控制方便、开关时间短、通态压降低、高频特性好、安全工作区宽等优点。
但存在二次击穿问题和耐压难以提高的缺点，阻碍它的进一步发展.—、结构特性1、结构原理功率晶体管是双极型大功率器件，又称巨型晶体管或电力勗体管,简称GTR。
它从本质上讲仍是晶体管，因而工作原理与一般晶体管相同。
但是,由于它主要用在电力电子技术领域,电流容量大，耐压水平高，而且大多工作在开关状态，因此其结构与特性又有许多独特之处.对GTR的要求主要是有足够的容量、适当的增益、较高的速度和较低的功耗等。
由于GTR电流大、功耗大,因此其工作状况出现了新特点、新问题。
比如存在基区大注入效应、基区扩展效应和发射极电流集边效应等，使得电流增益下降、特征频率减小，导致局部过热等，为了削弱这种影响,必须在结构上采取适当的措施。
目前常用的GTR器件有单管、达林顿管和模块三大系列。
三重扩散台面型NPN结构是单管GTR的典型结构，其结构和符号如图1所示.这种结构的优点是结面积较大，电流分布均匀，易于提高耐压和耗散热量；缺点是电流增益较低,一般约为10～20g。
图1、功率晶体管结构及符号图2、达林顿GTR结构（a）NPN-NPN型、(b)PNP-NPNxing达林顿结构是提高电流增益的一种有效方式.达林顿GTR由两个或多个晶体管复合而成,可以是PNP或NPN型，如图2所示，其中V1为驱动管,可饱和,而V2为输出管，不会饱和。
达林顿GTR的电流增益β大大提高,但饱和压降VCES也较高且关断速度较慢。
不难推得IC=ΒIB1.VCES= VCES1+VCES2（其中β≈β1β2）目前作为大功率开关应用最多的是GTR模块.它是将单个或多个达林顿结构GTR及其辅助元件如稳定电阻、加速二极管及续流二极管等，做在一起构成模块，如图3所示。
为便于改善器件的开关过程或并联使用，有些模块的中间基极有引线引出。
GTR模块结构紧凑、功能强,因而性能价格比大大提高。
晶体管的特征频率
晶体管特征频率的测量一、 目的1、通过实验进一步了解特征频率f T 的物理意义并掌握其测量方法。
2、通过实验了解f T 随偏流、偏压的变化情况。
二、 原理晶体管有高频管和低频管之分，一般来说低频管只能用在3MC 以下的频率范围；而高频管则可以用到几十或者几百MC 的高频范围，有时称超过75MC 的管子为超高频晶体管。
如果使用频率超过了晶体管的频率范围，则晶体管的放大特性就显著地变坏，甚至无法使用。
晶体管放大特性的变坏，是由于讯号频率超过某一值以后，晶体管的电流放大系数开始下降而造成的。
晶体管的共射极电流放大系数β与信号频率f 间的关系为：βββf f j +=10（10-1）式中β0为低频是的电流放大系数，f β为共射极的截止频率（也就是共射极电流放大系数β下降到21β0或0.707β0的频率）。
图10-1画出了晶体管发射极电流放大系数β随频率的变化曲线。
由图可见，在频率比较低时，β基本不随频率变化，它的数值被定义为β0。
当频率比较高时，β值随频率f 升高而下降。
如果讯号频率超过发射极截止频率f β，晶体管的共射极β电流放大系数β就比低频时的β0小的多。
但是，f β并不是晶体管所能使用的最高频率，因为f β下的β值（即0.707β0）仍比1大的多，所以晶体管此时还是有电流放大作用的。
晶体管的实际使用频率可以比f β高。
由10-1式可见，当频率远大于f β(比如f>2f β就可以认为f>>f β)，时有f •β=f •β0=常数 (10-2)因为f T 是β等于1的f 值，因此上式中的常数就是f T 。
所以β•f=f T (10-3)比较确切地反映了晶体管的频率特性。
当频率低于f T 时，电流放大系数β>1，晶体管有电流放大作用；当f<f T ，β<1，没有电流放大作用，所以特征频率f T 是晶体管可以起电流放大作用的最高频率的限度，是共射极电路设计的一个重要依据。
功率晶体管
功率晶体管功率晶体管是一种高压、高电流、高功率的电子元件。
它是一种半导体器件，能够将小信号控制大电流，被广泛应用于各种电力电子设备中，如变频器、电源、电机驱动器等。
本文将从功率晶体管的原理、结构、工作特性以及应用领域等方面进行介绍。
一、功率晶体管的原理功率晶体管（Power MOSFET）是一种基于金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的半导体器件。
与普通MOSFET相比，功率晶体管主要区别在于其耐压、耐电流、导通损耗等方面更为优越。
功率晶体管的核心部件是PN结，其结构如图1所示。
图1：功率晶体管结构示意图PN结是由P型半导体和N型半导体组成的结构，它是功率晶体管的主要控制部件。
PN结的导通与截止是通过场效应晶体管的栅电压来控制的。
栅极上的正向偏置电压会使得栅源之间形成一个电场，这个电场会影响PN结的导通与截止。
当栅极电压为零或负电压时，PN结截止，功率晶体管处于关闭状态，不导电；当栅极电压为正电压时，PN结导通，功率晶体管处于导通状态，可以通过电流。
二、功率晶体管的结构功率晶体管的结构主要包括栅极、漏极、源极、衬底等部分。
其中，源极和漏极是功率晶体管的输出端和输入端，栅极则是功率晶体管的控制端。
衬底则是功率晶体管的基底，通常与源极相连，用于固定源极电位。
功率晶体管的结构示意图如图2所示。
图2：功率晶体管结构示意图三、功率晶体管的工作特性功率晶体管的工作特性主要包括导通电阻、开关速度、漏电流等。
其中，导通电阻是功率晶体管的重要指标，它决定了功率晶体管的导通损耗。
开关速度则决定了功率晶体管的开关频率，漏电流则影响功率晶体管的工作温度和可靠性。
1.导通电阻功率晶体管的导通电阻主要由PN结的电阻、漏极电阻和接触电阻等组成。
其中，PN结的电阻和漏极电阻是功率晶体管的主要导通电阻。
为了降低功率晶体管的导通电阻，可以采用优化材料、优化结构和优化工艺等措施。
2.开关速度功率晶体管的开关速度主要由栅电容、栅电阻、栅驱动电路等因素决定。