双极型半导体器件
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。
半导体器件功率模组分类
半导体器件功率模块（Power Module）是一种集成了功率半导体器件（如IGBT、MOSFET）和其它相关电路的模块化产品，用于控制和调节电能的转换和传输。
根据不同的功率级别和应用领域，可以对功率模块进行多种分类。
以下是一些常见的功率模块分类：1. IGBT模块：IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块是最常见和广泛使用的功率模块之一。
它结合了MOSFET的低功率驱动和BJT的高电压能力，广泛应用于高功率应用，如变频器、电力传输和工业驱动。
2. MOSFET模块：MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）模块适用于中低功率应用，如电源、逆变器、电动车和消费电子。
它具有低开关损耗、高效率和快速开关速度的特点。
3. 肖特基二极管（Schottky Diode）模块：肖特基二极管模块常用于高速开关、反向恢复和逆变应用领域。
它具有低导通压降、快速开关速度和较低的反向恢复电荷的特点。
4. 三极管模块：三极管模块是基于晶体管（例如BJT）的功率模块。
它广泛应用于放大、开关和稳压等领域。
5. 整流桥模块：整流桥模块通常用于电源和交流电能转换应用，将交流电转换为直流电。
它由四个二极管或肖特基二极管组成，具有使电流单向传导的功能。
6. 集成型模块：集成型模块是将多个功率器件（如IGBT、MOSFET、二极管）和其它电路（如驱动和保护电路）集成到一个模块中，以提供更高的集成度和可靠性，减少系统设计的复杂性。
这只是一些常见的功率模块分类，实际上还有许多其他类型的模块，如SiC（碳化硅）模块、GaN（氮化镓）模块等，它们通常用于更高性能和特殊应用领域。
具体选择何种功率模块取决于应用需求、功率要求和其他因素。
场效应晶体管
场效应晶体管一、场效应晶体管概述场效应晶体管(FET)简称场效应管，它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109Ω）、噪声小、功耗低、温度系数低、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。
场效应管工作时只有一种极性的载流子参与导电，所以场效应管又称为单极型晶体管。
场效应管分结型、绝缘栅型两大类。
结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名，绝缘栅型场效应管（IGFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。
目前在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是MOS场效应管，简称MOS管（即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET）；此外还有PMOS、NMOS和VMOS功率场效应管，以及最近刚问世的πMOS场效应管、VMOS功率模块等。
按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种。
若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型。
结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。
二、场效应晶体管与半导体晶体管的异同1、外形相同场效应晶体管与半导体晶体管（双极晶体管）的封装外形基本相同，也有B型、F型、G型、TO-3型金属封装外形和S-1型、S-2型、S-4型、TO-92型、CPT型、TO-126型、TO-126FP 型、TO-202型、TO-220型、TO-247型、TO-3P型等塑料封装外形。
2、结构及工作原理不同场效应晶体管属于电压型控制器件，它是依靠控制电场效应来改变导电沟道多数载流子（空穴或电子）的漂移运动而工作的，即用微小的输入变化电压V G来控制较大的沟道输出电流I D，其放大特性（跨导）G M=I D/V G；半导体晶体管属于电流通渠道型控制器件，它是依靠注入到基极区的非平衡少数载流子（电子与空穴）的扩散运动而工作的，即用微小的输入变化电流I b控制较大的输出变化电流I c，其放大倍数β=I c/I b。
数字集成电路的分类
数字集成电路的分类数字集成电路有多种分类方法，以下是几种常用的分类方法。
1.按结构工艺分按结构工艺分类，数字集成电路可以分为厚膜集成电路、薄膜集成电路、混合集成电路、半导体集成电路四大类。
图如下所示。
世界上生产最多、使用最多的为半导体集成电路。
半导体数字集成电路（以下简称数字集成电路）主要分为TTL、CMOS、ECL三大类。
ECL、TTL为双极型集成电路，构成的基本元器件为双极型半导体器件，其主要特点是速度快、负载能力强，但功耗较大、集成度较低。
双极型集成电路主要有TTL(Transistor-Transistor Logic)电路、ECL(Emitter Coupled Logic)电路和I２L(Integrated Injection Logic)电路等类型。
其中TTL电路的性能价格比最佳，故应用最广泛。
ECL，即发射极耦合逻辑电路，也称电流开关型逻辑电路。
它是利用运放原理通过晶体管射极耦合实现的门电路。
在所有数字电路中，它工作速度最高，其平均延迟时间tpd可小至1ns。
这种门电路输出阻抗低，负载能力强。
它的主要缺点是抗干扰能力差，电路功耗大。
MOS电路为单极型集成电路，又称为MOS集成电路，它采用金属－氧化物半导体场效应管(Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor,缩写为MOSFET)制造，其主要特点是结构简单、制造方便、集成度高、功耗低，但速度较慢。
MOS集成电路又分为PMOS(P-channel Metal Oxide Semiconductor，P沟道金属氧化物半导体)、NMOS(N-channel Metal Oxide Semiconductor，N沟道金属氧化物半导体)和CMOS(Complement Metal Oxide Semiconductor，复合互补金属氧化物半导体)等类型。
MOS电路中应用最广泛的为CMOS电路，CMOS数字电路中，应用最广泛的为4000、4500系列，它不但适用于通用逻辑电路的设计，而且综合性能也很好，它与TTL电路一起成为数字集成电路中两大主流产品。
场效应管的工作原理详解
场效应管的工作原理详解场效应管（Field Effect Transistor，简称FET），是一种能够实现电压控制电流的半导体器件。
它是晶体管的一种，与另外两种晶体管，即双极型晶体管和增强型晶体管相比，具有许多优点，如高输入阻抗、低噪声、稳定性好等。
场效应管主要由源极（Source）、栅极（Gate）和漏极（Drain）组成。
栅极与漏极之间的距离构成沟道（Channel），沟道是由导电性的半导体材料构成的。
在沟道的下面有一层绝缘材料，称为栅绝缘层。
栅绝缘层将沟道与栅极隔离开来，使得栅极施加的电场可以控制沟道中的电荷分布。
由于这种控制机制，场效应管可以实现电压控制电流。
场效应管可以分为三种类型：MOSFET、JFET和MESFET。
MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管）是最常见的场效应管。
它的栅绝缘层由一层绝缘的氧化层构成，因此也被称为金属氧化物半导体结构。
MOSFET又可以进一步分为两种类型：增强型MOSFET（Enhancement Mode MOSFET）和负增强型MOSFET（Depletion Mode MOSFET）。
JFET（Junction Field-Effect Transistor，结型场效应晶体管）由两个接触在半导体材料上的pn结构组成，其中一个结是沟道-源结（Channel-Source Junction），另一个结是沟道-漏结（Channel-Drain Junction）。
JFET的工作原理是通过改变沟道中的载流子浓度来控制电流。
MESFET（Metal-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属半导体场效应晶体管）是一种结构类似于MOSFET的场效应管，但是栅绝缘层被金属取代。
因为栅极是由金属构成的，MESFET的操作速度相对较快，适用于高频应用。
常用半导体器件介绍
基极和发射极之间 的PN结称为发射
结
基极和集电极之间 的PN结称为集电
结
发射结和集电结之 间的区域称为基区
基区非常薄，通常 只有几微米
三极管内部电流的 流动方向与PN结 的导电方向有关
三极管具有放大作 用，可以将小信号
放大成大信号
三极管的特性
01 电流放大：三极管具有电流放大作用，可以 将微弱的输入信号放大为较大的输出信号。
半导体器件可以分为两类：主动器 件和被动器件。主动器件如晶体管、 集成电路等，可以控制电流的流动； 被动器件如电阻、电容、电感等， 主要用来传输和存储信号。
半导体器件的性能和可靠性对电 子设备的性能和可靠性具有重要 影响。
半导体器件的分类
双极型晶体管（BJT）： 场效应晶体管（FET）：
如PNP、NPN等
事等
光电器件的发 展趋势是高速、 低功耗、集成
化
光电器件的分类
光电导器件：利用光电效应工作的器件，如光敏 二极管、光敏三极管等。
光电发射器件：利用外光电效应工作的器件，如 光电管、光电倍增管等。
光敏电阻：利用光敏电阻的光电导效应工作的器 件，如光敏电阻、光敏电容等。
光敏晶体管：利用光敏晶体管的光电导效应工作 的器件，如光敏晶体管、光敏场效应晶体管等。
01
由一个PN结组成
03
PN结具有单向导电性
02
P型半导体和N型半导体相 互接触形成PN结
04
电流只能从P型半导体流向N 型半导体，不能反向流动
二极管的特性
01
单向导电性：二极 管只允许电流从一 个方向通过，具有 单向导电性。
02
整流作用：二极管 可以将交流电转换 为直流电，具有整 流作用。
双极型工艺流程
双极型工艺流程The bipolar process, also known as bipolar technology, is a manufacturing process used in the production of semiconductor devices. 双极型工艺流程，也被称为双极技术，是在半导体器件生产中使用的制造工艺。
It involves the use of both positive and negative charges to create the desired electrical characteristics in the semiconductor material. 它涉及使用正电荷和负电荷来在半导体材料中创造所需的电特性。
This process is crucial in the development of various electronic devices, including transistors, diodes, and integrated circuits. 这一工艺流程对于各种电子器件的发展至关重要，包括晶体管、二极管和集成电路。
From a technical perspective, the bipolar process involves several key steps. 从技术角度来看，双极型工艺流程涉及几个关键步骤。
The first step is the creation of a semiconductor wafer, which serves as the base material for the subsequent manufacturing processes. 第一步是制造半导体晶片，这将作为随后制造工艺的基础材料。
This wafer is then subjected to various doping processes, where specific impurities are introduced to modify its electrical properties. 然后将晶片进行多种掺杂工艺，引入特定杂质来改变其电特性。
半导体器件基础
对于PNP型三极管，其外部电压源极性相反，注入载流子为空穴，
实际电流方向相反，分析方法相同。
1.3 双极型三极管
1.3.3 双极型三极管的特性曲线和工作状态
三极管的特性曲线是指三极管各电极之间电压和电流的关系 曲线。它直观地表达了三极管内部的物理变化规律，描述了三极 管的外特性。下面以共发射极电路为例，讨论双极型三极管的输 入、输出特性曲线，测试电路如图1.3.3所示。。
1.1 PN结
1.1.3 PN结的单向导电性
1
PN结的正向偏置
1.1 PN结
1.1.3 PN结的单向导电性
2
PN结的反向偏置
1.1 PN结
1.1.3 PN结的单向导电性
3
PN结的伏安特性曲线
1.2 半导体二极管
1.2.1 二极管的结构
半导体二极管按其结构可分为点接触型和面接触型两种。点接触型二 极管（一般为锗管）由于其PN结的面积很小，因此结电容小，允许通过的 电流也小，适用于高频电路检波或小电流整流，也可用作数字电路中的开关 元件。面接触型二极管（一般为硅管）由于其PN结的面积大，结电容大， 允许通过的电流较大，适用于低频整流；对于硅平面型二极管，结面积大的 可用于大功率整流，结面积小的适用于脉冲数字电路的开关管。
1.2 半导体二极管
例1.2.2判断图1.2.7所示电路 中哪个二极电路中其阳极电位是相 同的。因此，两二极管中阴极电 位最低的那只导通。 显然VD2导 通，并使AO两端电压钳位于-6 V， 即UAO=-6 V。VD1上加的是-6 V， 所以VD1截止，VD1起隔离作用。
（1）N型半导体。在本征半导体硅（或锗）中掺入微量的五价 元素磷（P），如图1.1.4所示。
（2）P型半导体。若在本征半导体硅中掺入微量的三价元素硼 （B），如图1.1.5所示。