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时间:2019-06-01
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1、第四章电力晶体管§4.1GTR结构双极型大功率、高反压晶体管——GTR(巨型晶体管)GiantTransistor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+集电区收集电子使用时要求:发射结正偏,集电结反偏。二、GTR与普通晶体管区别1.普通晶体管:信号晶体管,用于放大信号;要求增益适当,fT高,噪声系数低,线性度好,温度漂移和时间漂移小。工作于放大区,以载流子运动为出发点,分析载流子
2、扩散、漂移、复合现象。电流控制特性为线性关系。2.GTR:用于功率开关;要求容量足够大,高电压,大电流,适当增益,较高工作速度,较低功率损耗。3.大电流工作下,普通晶体管出现的新特点:①基区大注入效应:引起电流增益下降。②基区扩展效应:使基区注入效率降低,增益β下降,fT减小。③发射极电流集边效应:引起电流局部集中,产生局部过热。因此,GTR在结构上应采取适当措施,减小上述效应。三、单管GTR采用三重扩散,台面型结构;可靠性高,对二次击穿特性有改善,易于提高耐压,易于耗散体内热量。增加N-漂移区,由它的电阻率和厚
3、度决定器件阻断能力,但阻断能力提高,使饱和导通电阻增大,电流增益降低。一般:β约10—20工作状态:开关状态(导通、截止;开通、关断)饱和压降低漏电流小时间短四、达林顿GTR为提高电流增益,由两个或两个以上晶体管复合组成。NPN型PNP型驱动管输出管特点:①电流增益β增大:β≈β1β2,达几十倍~几千倍;②饱和压降VCES增大:VCES≈VCES1+VBES2V2管无法饱和导通,VCE2=VCES1,反偏状态;导通损耗增大。③开关速度慢:开通时,V1驱动V2;关断时,V1先关断,V2才能关断,且V2关断无泻流通路
4、。改进:R1、R2稳定电阻,提高温度稳定性和电流通路。VD1引入,加速V2、V1的同时关断,引出B2极可另外控制。五、GTR模块将GTR管芯、稳定电阻R1R2、加速二极管VD1、续流二极管VD2组成一个单元。将几个单元组合在一个外壳内——模块。利用集成工艺将上述单元集成于同一硅片上,器件集成度高,小型轻量化,性能/价格比高。单臂桥式电路模块B1B2C1E2E1C2单相桥式电路模块;三相桥式电路模块;§4.2GTR特性与参数一、静态特性与参数1.共射输出特性:发射结正偏集电结反偏VCES很小临界饱和断态,漏电流很小
5、放大区严禁工作2.饱和压降:如图:GTR深饱和时,等效电路;VBES:基极正向压降通态下,B-E极电压;VCES:饱和压降通态下,C-E极电压;一般,由于发射区高浓度掺杂,rES可忽略;VCES的大小,关系器件导通功率损耗。达林顿管,VCES、VBES较大。TC35-400型GTR:电流50A,β=5;VCES随IC电流增大而增大;IC不变时,随温度增加而增加。VBES随IC电流增大而增大;小电流下,随温度增大而减小,PN结负温度系数。大电流下,随温度增大而增大。饱和压降特性曲线基极正向压降特性曲线TC=250C
6、VCE=400VTC=250CVCE=2VTC=1250C,VCE=2VTC=250C,VCE=-2V3.共射电流增益β:反映GTR的电流放大能力,IC与IB比值。①GTR正向偏置时,βF随IC减小而减小,基区复合电流占的比例增大。②随IC增大,β增大,IC增大到一定程度β=βmax,IC再增大,由于基区大注入效应、基区扩展效应,β开始下降。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
7、工艺决定。①最高电压额定值:BVCEO,BVCBO,BVCES,BVCER,BVCEXO:另一极开路;S:短路;R:外接电阻;X:反向偏置;Va::IB=0时,IC电流急剧增加时电压;Vb::IE=0时,IC电流急剧增加时电压;一般:另:BVEBO集电极开路时,发射结最高反向偏置电压。几伏,典型值8V。②最大电流额定值:大电流下,三种物理效应会使GTR电气性能变差,甚至损坏器件。集电极电流最大额定值ICM:ICM定义:a.以β值下降到额定值1/2到1/3时,对应IC值。b.以结温和耗散功率为尺度确定ICM。最大脉
8、冲电流额定值:直流ICM的1.5~3倍定额;引起内部引线熔断的集电极电流;引起集电结损坏的集电极电流。基极电流最大额定值IBM:内部引线允许流过的最大基极电流,约为(1/2~1/6)ICM③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PCMPCM=VCE•IC受结温限制,使用时注意散热
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