电力电子半导体器件GTR

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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