幾種全控型晶體管

1.3典型全控型器件

1.3.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管

1.3.2功率晶體管

1.3.3功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管

1.3.4絕緣柵雙極晶體管1.3典型全控型器件·引言■門(mén)極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)?！?0世紀(jì)80年代以來(lái)，功率電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代?！龅湫痛怼T(mén)極可關(guān)斷晶閘管、功率晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。功率MOSFETIGBT單管及模塊1.3.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管■晶閘管的一種派生器件，但可以通過(guò)在門(mén)極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于全控型器件。

■GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理

◆GTO的結(jié)構(gòu)?是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。?是一種多元的功率集成器件，雖然外部同樣引出個(gè)極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO

元，這些GTO元的陰極和門(mén)極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。

圖2-14GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)各單元的陰極、門(mén)極間隔排列的圖形并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖電氣圖形符號(hào)

1.3.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管

圖2-8晶閘管的雙晶體管模型 及其工作原理

a)雙晶體管模型b)工作原理◆GTO的工作原理

?仍然可以用如圖2-8所示的雙晶體管模型來(lái)分析，V1、V2的共基極電流增益分別是1、2。1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件，大于1導(dǎo)通，小于1則關(guān)斷。

?GTO與普通晶閘管的不同√設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷?！虒?dǎo)通時(shí)1+2更接近1，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，有利門(mén)極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。

√多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門(mén)極抽出較大電流。

1.3.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管?GTO的導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管是一樣的，只不過(guò)導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。

?而關(guān)斷時(shí)，給門(mén)極加負(fù)脈沖，即從門(mén)極抽出電流，當(dāng)兩個(gè)晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使1+2<1時(shí)，器件退出飽和而關(guān)斷。

?GTO的多元集成結(jié)構(gòu)使得其比普通晶閘管開(kāi)通過(guò)程更快，承受di/dt的能力增強(qiáng)。

1.3.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管■GTO的動(dòng)態(tài)特性

◆開(kāi)通過(guò)程與普通晶閘管類(lèi)似。

◆關(guān)斷過(guò)程

?儲(chǔ)存時(shí)間ts

下降時(shí)間tf

尾部時(shí)間tt?通常tf比ts小得多，而tt比ts要長(zhǎng)。?門(mén)極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡，

ts就越短。使門(mén)極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍能保持適當(dāng)?shù)呢?fù)電壓，則可以縮短尾部時(shí)間。圖2-15GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形

Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子的時(shí)間等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減小時(shí)間

殘存載流子復(fù)合所需時(shí)間

圖1-15圖1-15圖1-15

2、GTO的工作原理

（1）開(kāi)通過(guò)程GTO也可等效成兩個(gè)晶體管P1N1P2和N1P2N2互連，GTO與晶閘管最大區(qū)別就是導(dǎo)通后回路增益α1+α2數(shù)值不同，其中α1和α2分別為P1N1P2和N1P2N2的共基極電流放大倍數(shù)。晶閘管的回路增益α1+α2常為1.15左右，而GTO的α1+α2非常接近1。因而GTO處于臨界飽和狀態(tài)。這為門(mén)極負(fù)脈沖關(guān)斷陽(yáng)極電流提供有利條件。

（2）關(guān)斷過(guò)程當(dāng)GTO已處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，對(duì)門(mén)極加負(fù)的關(guān)斷脈沖，形成－IG，相當(dāng)于將IC1的電流抽出，使晶體管N1P2N2的基極電流減小，使IC2和IK隨之減小，IC2減小又使IA和IC1減小，這是一個(gè)正反饋過(guò)程。當(dāng)IC2和IC1的減小使α1+α2<1時(shí)，等效晶體管N1P2N2和P1N1P2退出飽和，GTO不滿(mǎn)足維持導(dǎo)通條件，陽(yáng)極電流下降到零而關(guān)斷。由于GTO處于臨界飽和狀態(tài)，用抽走陽(yáng)極電流的方法破壞臨界飽和狀態(tài)，能使器件關(guān)斷。而晶閘管導(dǎo)通之后，處于深度飽和狀態(tài)，用抽走陽(yáng)極電流的方法不能使其關(guān)斷。1.3.2GTO的特性和主要參數(shù)

(簡(jiǎn)介)

1、陽(yáng)極伏安特性

2、開(kāi)通特性

開(kāi)通時(shí)間ton由延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr組成

3、關(guān)斷特性

GTO的關(guān)斷過(guò)程有三個(gè)不同的時(shí)間，即存儲(chǔ)時(shí)間ts、下降時(shí)間tf及尾部時(shí)間tt。存儲(chǔ)時(shí)間ts：對(duì)應(yīng)著從關(guān)斷過(guò)程開(kāi)始，到陽(yáng)極電流開(kāi)始下降到90%IA為止的一段時(shí)間間隔。下降時(shí)間tf：對(duì)應(yīng)著陽(yáng)極電流迅速下降，陽(yáng)極電壓不斷上升和門(mén)極反電壓開(kāi)始建立的過(guò)程。尾部時(shí)間tt：則是指從陽(yáng)極電流降到極小值時(shí)開(kāi)始，直到最終達(dá)到維持電流為止的時(shí)間。

GTO的關(guān)斷特性(開(kāi)關(guān)電壓、電流及門(mén)極電流波形)圖1-16

4、主要參數(shù)(簡(jiǎn)介)

與晶閘管不同的參數(shù)。（1）最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO（2）關(guān)斷增益off（3）陽(yáng)極尖峰電壓（4）維持電流（5）擎住電流1.3.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管■GTO的主要參數(shù)◆GTO的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同。

◆最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO?用來(lái)標(biāo)稱(chēng)GTO額定電流。

◆電流關(guān)斷增益off

?最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO與門(mén)極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比。

?off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。

◆開(kāi)通時(shí)間ton

?延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。?延遲時(shí)間一般約1~2s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽(yáng)極電流值的增大而增大。

◆關(guān)斷時(shí)間toff

?一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，而不包括尾部時(shí)間。

?儲(chǔ)存時(shí)間隨陽(yáng)極電流的增大而增大，下降時(shí)間一般小于2s?！霾簧貵TO都制造成逆導(dǎo)型，類(lèi)似于逆導(dǎo)晶閘管。當(dāng)需要承受反向電壓時(shí)，應(yīng)和功率二極管串聯(lián)使用。

1.3.2功率晶體管■功率晶體管（GiantTransistor——GTR）按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT）

■GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理

◆與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。

◆最主要的特性是耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好。

◆

GTR的結(jié)構(gòu)

?采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)，并采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。

?

GTR是由三層半導(dǎo)體（分別引出集電極、基極和發(fā)射極）形成的兩個(gè)PN結(jié)（集電結(jié)和發(fā)射結(jié)）構(gòu)成，多采用NPN結(jié)構(gòu)。1.3.2功率晶體管圖2-16GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號(hào)c)內(nèi)部載流子的流動(dòng)+表示高摻雜濃度，-表示低摻雜濃度1.3.2功率晶體管空穴流電子流c)EbEcibic=bibie=(1+b)ib圖2-16c)內(nèi)部載流子的流動(dòng)

?在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為

稱(chēng)為GTR的電流放大系數(shù)，它反映了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力。當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí)，ic和ib的關(guān)系為?單管GTR的

值比處理信息用的小功率晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可以有效地增大電流增益。(2-9)(2-10)1.3.2功率晶體管■GTR的基本特性◆靜態(tài)特性

?在共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性分為截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)三個(gè)區(qū)域。

?在功率電子電路中，

GTR工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)。

?在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)，一般要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce圖2-17共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性1.3.2功率晶體管◆動(dòng)態(tài)特性?開(kāi)通過(guò)程

√需要經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開(kāi)通時(shí)間ton?！淘龃蠡鶚O驅(qū)動(dòng)電流ib的幅值并增大dib/dt，可以縮短延遲時(shí)間，同時(shí)也可以縮短上升時(shí)間，從而加快開(kāi)通過(guò)程。?關(guān)斷過(guò)程√需要經(jīng)過(guò)儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf，二者之和為關(guān)斷時(shí)間toff?！虦p小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度以減小儲(chǔ)存的載流子，或者增大基極抽取負(fù)電流Ib2的幅值和負(fù)偏壓，可以縮短儲(chǔ)存時(shí)間，從而加快關(guān)斷速度。?GTR的開(kāi)關(guān)時(shí)間在幾微秒以?xún)?nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖2-18GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形主要是由發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容和集電結(jié)勢(shì)壘電容充電產(chǎn)生的。

是用來(lái)除去飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時(shí)間的主要部分。

1.3.2功率晶體管■GTR的主要參數(shù)◆電流放大倍數(shù)、直流電流增益hFE、集電極與發(fā)射極間漏電流Iceo、集電極和發(fā)射極間飽和壓降Uces、開(kāi)通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff

◆最高工作電壓?GTR上所加的電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)，就會(huì)發(fā)生擊穿。?擊穿電壓不僅和晶體管本身的特性有關(guān)，還與外電路的接法有關(guān)。

?發(fā)射極開(kāi)路時(shí)集電極和基極間的反向擊穿電壓BUcbo

基極開(kāi)路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUceo

發(fā)射極與基極間用電阻聯(lián)接或短路聯(lián)接時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcer和BUces

發(fā)射結(jié)反向偏置時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcex

且存在以下關(guān)系：

?實(shí)際使用GTR時(shí)，為了確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多。1.3.2功率晶體管◆集電極最大允許電流IcM?規(guī)定直流電流放大系數(shù)hFE下降到規(guī)定的1/2~1/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic。?實(shí)際使用時(shí)要留有較大裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)?！艏姌O最大耗散功率PcM

?指在最高工作溫度下允許的耗散功率。?產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中在給出PcM時(shí)總是同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。

1.3.2功率晶體管■GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)◆當(dāng)GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，集電極電流迅速增大，這種首先出現(xiàn)的擊穿是雪崩擊穿，被稱(chēng)為一次擊穿?！舭l(fā)現(xiàn)一次擊穿發(fā)生時(shí)如不有效地限制電流，Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，同時(shí)伴隨著電壓的陡然下降，這種現(xiàn)象稱(chēng)為二次擊穿。

◆出現(xiàn)一次擊穿后，GTR一般不會(huì)損壞，二次擊穿常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，因而對(duì)GTR危害極大。

SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖2-19GTR的安全工作區(qū)二次擊穿功率

◆安全工作區(qū)（SafeOperatingArea——SOA）

?將不同基極電流下二次擊穿的臨界點(diǎn)連接起來(lái)，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線(xiàn)。?GTR工作時(shí)不僅不能超過(guò)最高電壓

UceM，集電極最大電流IcM和最大耗散功率PcM，也不能超過(guò)二次擊穿臨界線(xiàn)。場(chǎng)效應(yīng)管

場(chǎng)效應(yīng)管（簡(jiǎn)稱(chēng)FET）是利用輸入電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸出電流的，所以又稱(chēng)之為電壓控制型器件。它工作時(shí)只有一種載流子（多數(shù)載流子）參與導(dǎo)電，故也叫單極型半導(dǎo)體三極管。因它具有很高的輸入電阻，能滿(mǎn)足高內(nèi)阻信號(hào)源對(duì)放大電路的要求，所以是較理想的前置輸入級(jí)器件。它還具有熱穩(wěn)定性好、功耗低、噪聲低、制造工藝簡(jiǎn)單、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，場(chǎng)效應(yīng)管可以分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（IGFET）或稱(chēng)MOS型場(chǎng)效應(yīng)管兩大類(lèi)。根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)管制造工藝和材料的不同，又可分為N型溝道場(chǎng)效應(yīng)管和P型溝道場(chǎng)效應(yīng)管。

3.1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

1.結(jié)構(gòu)和符號(hào)

1）結(jié)構(gòu)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.1（a）所示。

圖3.1N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（a）結(jié)構(gòu)示意圖;（b）圖形符號(hào);（c）外形圖

圖3.2P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（a）結(jié)構(gòu)示意圖;（b）圖形符號(hào)

2.工作原理現(xiàn)以N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例討論外加電場(chǎng)是如何來(lái)控制場(chǎng)效應(yīng)管的電流的。如圖3.3所示，場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)它的兩個(gè)PN結(jié)始終要加反向電壓。對(duì)于N溝道，各極間的外加電壓變?yōu)閁GS≤0，漏源之間加正向電壓，即UDS＞0。當(dāng)G、S兩極間電壓UGS改變時(shí)，溝道兩側(cè)耗盡層的寬度也隨著改變，由于溝道寬度的變化，導(dǎo)致溝道電阻值的改變，從而實(shí)現(xiàn)了利用電壓UGS控制電流ID的目的。圖3.3場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理1）UGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響當(dāng)UGS＝０時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管兩側(cè)的PN結(jié)均處于零偏置，形成兩個(gè)耗盡層,如圖3.4（ａ）所示。此時(shí)耗盡層最薄，導(dǎo)電溝道最寬，溝道電阻最小。當(dāng)|UGS|值增大時(shí)，柵源之間反偏電壓增大，PN結(jié)的耗盡層增寬，如圖3.4（b）所示。導(dǎo)致導(dǎo)電溝道變窄，溝道電阻增大。

當(dāng)|UGS|值增大到使兩側(cè)耗盡層相遇時(shí)，導(dǎo)電溝道全部夾斷，如圖3.4

（c）所示。溝道電阻趨于無(wú)窮大。對(duì)應(yīng)的柵源電壓UGS稱(chēng)為場(chǎng)效應(yīng)管的夾斷電壓，用UGS(off)來(lái)表示。

圖3.4

UGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響（a）導(dǎo)電溝道最寬;（b）導(dǎo)電溝道變窄;（c）導(dǎo)電溝道夾斷2）UDS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響設(shè)柵源電壓UGS=0,當(dāng)UDS=0時(shí)，ID=0，溝道均勻，如圖3.4（a）所示。當(dāng)UDS增加時(shí)，漏極電流ID從零開(kāi)始增加，ID流過(guò)導(dǎo)電溝道時(shí)，沿著溝道產(chǎn)生電壓降，使溝道各點(diǎn)電位不再相等，溝道不再均勻?？拷礃O端的耗盡層最窄，溝道最寬;靠近漏極端的電位最高，且與柵極電位差最大，因而耗盡層最寬，溝道最窄。由圖1.35可知，UDS的主要作用是形成漏極電流ID。3）UDS和UGS對(duì)溝道電阻和漏極電流的影響設(shè)在漏源間加有電壓UDS，當(dāng)UGS變化時(shí)，溝道中的電流ID將隨溝道電阻的變化而變化。當(dāng)UGS=0時(shí)，溝道電阻最小，電流ID最大。當(dāng)|UGS|值增大時(shí)，耗盡層變寬，溝道變窄，溝道電阻變大，電流ID減小，直至溝道被耗盡層夾斷，ID=0。當(dāng)0<UGS<UGS(off)時(shí)，溝道電流ID在零和最大值之間變化。改變柵源電壓UGS的大小，能引起管內(nèi)耗盡層寬度的變化，從而控制了漏極電流ID的大小。場(chǎng)效應(yīng)管和普通三極管一樣，可以看作是受控的電流源，但它是一種電壓控制的電流源。

3.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線(xiàn)

1）轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)是指在一定漏源電壓UDS作用下，柵極電壓UGS對(duì)漏極電流ID的控制關(guān)系曲線(xiàn)，即

圖3.5為特性曲線(xiàn)測(cè)試電路。圖3.6為轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)。從轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)可知，UGS對(duì)ID的控制作用如下：

圖3.5場(chǎng)效應(yīng)管特性測(cè)試電路

圖3.6轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)

當(dāng)UGS=0時(shí)，導(dǎo)電溝道最寬、溝道電阻最小。所以當(dāng)UDS為某一定值時(shí)，漏極電流ID最大，稱(chēng)為飽和漏極電流,用IDSS表示。當(dāng)|UGS|值逐漸增大時(shí)，PN結(jié)上的反向電壓也逐漸增大，耗盡層不斷加寬，溝道電阻逐漸增大，漏極電流ID逐漸減小。當(dāng)UGS=UGS(off)時(shí)，溝道全部夾斷，ID=0。2）輸出特性曲線(xiàn)（或漏極特性曲線(xiàn)）輸出特性曲線(xiàn)是指在一定柵極電壓UGS作用下，ID與UDS之間的關(guān)系曲線(xiàn)，即

圖3.7所示為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線(xiàn)，可分成以下幾個(gè)工作區(qū)。圖3.7

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線(xiàn)

（1）可變電阻區(qū)。當(dāng)UGS不變，UDS由零逐漸增加且較小時(shí)，ID隨UDS的增加而線(xiàn)性上升，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)電溝道暢通。漏源之間可視為一個(gè)線(xiàn)性電阻RDS，這個(gè)電阻在UDS較小時(shí)，主要由UGS決定，所以此時(shí)溝道電阻值近似不變。而對(duì)于不同的柵源電壓UGS，則有不同的電阻值RDS，故稱(chēng)為可變電阻區(qū)。（2）恒流區(qū)（或線(xiàn)性放大區(qū)）。圖1.29中間部分是恒流區(qū)，在此區(qū)域ID不隨UDS的增加而增加，而是隨著UGS的增大而增大，輸出特性曲線(xiàn)近似平行于UDS軸，ID

受UGS的控制，表現(xiàn)出場(chǎng)效應(yīng)管電壓控制電流的放大作用，場(chǎng)效應(yīng)管組成的放大電路就工作在這個(gè)區(qū)域。

（3）夾斷區(qū)。當(dāng)UGS<UGS(off)時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)電溝道被耗盡層全部夾斷，由于耗盡層電阻極大，因而漏極電流ID幾乎為零。此區(qū)域類(lèi)似于三極管輸出特性曲線(xiàn)的截止區(qū)，在數(shù)字電路中常用做開(kāi)斷的開(kāi)關(guān)。（4）擊穿區(qū)。當(dāng)UDS增加到一定值時(shí)，漏極電流ID急劇上升，靠近漏極的PN結(jié)被擊穿，管子不能正常工作，甚至很快被燒壞。3.2絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管在結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管中，柵源間的輸入電阻一般為10+6~10+9Ω。由于PN結(jié)反偏時(shí)，總有一定的反向電流存，而且受溫度的影響，因此，限制了結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管輸入電阻的進(jìn)一步提高。而絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與漏極、源極及溝道是絕緣的，輸入電阻可高達(dá)10+9Ω以上。由于這種場(chǎng)效應(yīng)管是由金屬（Metal）,氧化物（Oxide）和半導(dǎo)體（Semiconductor）組成的，故稱(chēng)MOS管。MOS管可分為N溝道和P溝道兩種。按照工作方式不同可以分為增強(qiáng)型和耗盡型兩類(lèi)。

1.Ｎ溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管

1）結(jié)構(gòu)和符號(hào)圖3.8是N溝道增強(qiáng)型MOS管的示意圖。MOS管以一塊摻雜濃度較低的P型硅片做襯底，在襯底上通過(guò)擴(kuò)散工藝形成兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，并引出兩個(gè)極作為源極S和漏極D；在P型硅表面制作一層很薄的二氧化硅（SiO2）絕緣層，在二氧化硅表面再?lài)娚弦粚咏饘黉X，引出柵極G。這種場(chǎng)效應(yīng)管柵極、源極、漏極之間都是絕緣的，所以稱(chēng)之為絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。

絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的圖形符號(hào)如圖3.8（b）、(c)所示，箭頭方向表示溝道類(lèi)型，箭頭指向管內(nèi)表示為N溝道MOS管(圖(b))，否則為P溝道MOS管(圖(c))。圖3.8MOS管的結(jié)構(gòu)及其圖形符號(hào)2）工作原理圖3.9是N溝道增強(qiáng)型MOS管的工作原理示意圖，圖3.9（b）是相應(yīng)的電路圖。工作時(shí)柵源之間加正向電源電壓UGS，漏源之間加正向電源電壓UDS,并且源極與襯底連接,襯底是電路中最低的電位點(diǎn)。當(dāng)UGS=0時(shí)，漏極與源極之間沒(méi)有原始的導(dǎo)電溝道，漏極電流ID=0。這是因?yàn)楫?dāng)UGS=0時(shí)，漏極和襯底以及源極之間形成了兩個(gè)反向串聯(lián)的PN結(jié)，當(dāng)UDS加正向電壓時(shí)，漏極與襯底之間PN結(jié)反向偏置的緣故。

圖3.9N溝道增強(qiáng)型MOS管工作原理

(a)示意圖；(b)電路圖

當(dāng)UGS>0時(shí)，柵極與襯底之間產(chǎn)生了一個(gè)垂直于半導(dǎo)體表面、由柵極G指向襯底的電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)的作用是排斥P型襯底中的空穴而吸引電子到表面層，當(dāng)UGS增大到一定程度時(shí)，絕緣體和P型襯底的交界面附近積累了較多的電子，形成了N型薄層，稱(chēng)為N型反型層。反型層使漏極與源極之間成為一條由電子構(gòu)成的導(dǎo)電溝道，當(dāng)加上漏源電壓UGS之后，就會(huì)有電流ID流過(guò)溝道。通常將剛剛出現(xiàn)漏極電流ID時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵源電壓稱(chēng)為開(kāi)啟電壓，用UGS(th)表示。

當(dāng)UGS>UGS(th)時(shí)，UGS增大、電場(chǎng)增強(qiáng)、溝道變寬、溝道電阻減小、ID增大；反之，UGS減小，溝道變窄，溝道電阻增大，ID減小。所以改變UGS的大小，就可以控制溝道電阻的大小，從而達(dá)到控制電流ID的大小，隨著UGS的增強(qiáng)，導(dǎo)電性能也跟著增強(qiáng)，故稱(chēng)之為增強(qiáng)型。必須強(qiáng)調(diào)，這種管子當(dāng)UGS<UGS(th)時(shí)，反型層（導(dǎo)電溝道）消失，ID=0。只有當(dāng)UGS≥UGS(th)時(shí)，才能形成導(dǎo)電溝道，并有電流ID。3）特性曲線(xiàn)（1）轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)為

由圖3.10所示的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)可見(jiàn)，當(dāng)UGS<UGS(th)時(shí)，導(dǎo)電溝道沒(méi)有形成，ID=0。當(dāng)UGS≥UGS(th)時(shí)，開(kāi)始形成導(dǎo)電溝道，并隨著UGS的增大，導(dǎo)電溝道變寬，溝道電阻變小，電流ID增大。（2）輸出特性曲線(xiàn)為

圖3.10

轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)

圖3.11為輸出特性曲線(xiàn)，與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管類(lèi)似，也分為可變電阻區(qū)、恒流區(qū)（放大區(qū)）、夾斷區(qū)和擊穿區(qū)，其含義與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性曲線(xiàn)的幾個(gè)區(qū)相同。

圖3.11

輸出特性曲線(xiàn)

2.N溝道耗盡型MOS管

1）結(jié)構(gòu)、符號(hào)和工作原理

N溝道耗盡型MOS管的結(jié)構(gòu)如圖3.12（a）所示，圖形符號(hào)如圖3.12（b）所示。N溝道耗盡型MOS管在制造時(shí)，在二氧化硅絕緣層中摻入了大量的正離子，這些正離子的存在，使得UGS=0時(shí)，就有垂直電場(chǎng)進(jìn)入半導(dǎo)體，并吸引自由電子到半導(dǎo)體的表層而形成N型導(dǎo)電溝道。圖3.12N溝道耗盡型MOS管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)（a）結(jié)構(gòu);（b）圖形符號(hào)

如果在柵源之間加負(fù)電壓，UGS所產(chǎn)生的外電場(chǎng)就會(huì)削弱正離子所產(chǎn)生的電場(chǎng)，使得溝道變窄，電流ID減小;反之，電流ID增加。故這種管子的柵源電壓UGS可以是正的，也可以是負(fù)的。改變UGS，就可以改變溝道的寬窄，從而控制漏極電流ID。

2）特性曲線(xiàn)（1）輸出特性曲線(xiàn)。N溝道耗盡型MOS管的輸出特性曲線(xiàn)如圖3.13（a）所示，曲線(xiàn)可分為可變電阻區(qū)、恒流區(qū)（放大區(qū)）、夾斷區(qū)和擊穿區(qū)。圖3.13N溝道耗盡型MOS管特性（a）輸出特性曲線(xiàn)

（2）轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)。N溝道耗盡型MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)如圖3.13（b）所示。從圖中可以看出，這種MOS管可正可負(fù)，且柵源電壓UGS為零時(shí)，靈活性較大。當(dāng)UGS=0時(shí)，靠絕緣層中正離子在P型襯底中感應(yīng)出足夠的電子，而形成N型導(dǎo)電溝道，獲得一定的IDSS。當(dāng)UGS>0時(shí)，垂直電場(chǎng)增強(qiáng)，導(dǎo)電溝道變寬，電流ID增大。當(dāng)UGS<0時(shí)，垂直電場(chǎng)減弱，導(dǎo)電溝道變窄，電流ID減小。當(dāng)UGS=U

GS(th)時(shí)，導(dǎo)電溝道全夾斷，ID=0。

圖3.13N溝道耗盡型MOS管特性（a）輸出特性曲線(xiàn);b）轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)

3.3場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)及注意事項(xiàng)

1.主要參數(shù)

1)開(kāi)啟電壓U

GS(th)和夾斷電壓U

GS(off)

UDS等于某一定值，使漏極電流ID等于某一微小電流時(shí)，柵源之間所加的電壓UGS，①對(duì)于增強(qiáng)型管，稱(chēng)為開(kāi)啟電壓U

GS(th)；②對(duì)于耗盡型管和結(jié)型管，稱(chēng)為夾斷電壓U

GS(off)。

2)飽和漏極電流I

DSS

飽和漏極電流是指工作于飽和區(qū)時(shí)，耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管在UGS=0時(shí)的漏極電流。3）低頻跨導(dǎo)gm（又稱(chēng)低頻互導(dǎo)）低頻跨導(dǎo)是指UDS為某一定值時(shí)，漏極電流的微變量和引起這個(gè)變化的柵源電壓微變量之比，即

式中，ΔID為漏極電流的微變量；

ΔUGS為柵源電壓微變量。gm反映了UGS對(duì)ID的控制能力，是表征場(chǎng)效應(yīng)管放大能力的重要參數(shù)，單位為西門(mén)子（S）。gm一般為幾mS。gm也就是轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)上工作點(diǎn)處切線(xiàn)的斜率。4)直流輸入電阻RGS

直流輸入電阻是指漏源間短路時(shí)，柵源間的直流電阻值，一般大于10+8Ω。

5)漏源擊穿電壓U(BR)DS

漏源擊穿電壓是指漏源間能承受的最大電壓，當(dāng)UDS值超過(guò)U(BR)DS時(shí)，柵漏間發(fā)生擊穿，ID開(kāi)始急劇增加。

6）柵源擊穿電壓U(BR)GS

柵源擊穿電壓是指柵源間所能承受的最大反向電壓，UGS值超過(guò)此值時(shí)，柵源間發(fā)生擊穿，ID由零開(kāi)始急劇增加。

7）最大耗散功率PDM

最大耗散功率PDM=UDSID，與半導(dǎo)體三極管的PCM類(lèi)似，受管子最高工作溫度的限制。

2.注意事項(xiàng)

(1)在使用場(chǎng)效應(yīng)管時(shí)，要注意漏源電壓UDS、漏源電流ID、柵源電壓UGS及耗散功率等值不能超過(guò)最大允許值。

(2)場(chǎng)效應(yīng)管從結(jié)構(gòu)上看漏源兩極是對(duì)稱(chēng)的，可以互相調(diào)用，但有些產(chǎn)品制作時(shí)已將襯底和源極在內(nèi)部連在一起，這時(shí)漏源兩極不能對(duì)換用。

(3)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵源電壓UGS不能加正向電壓，因?yàn)樗ぷ髟诜雌珷顟B(tài)。通常各極在開(kāi)路狀態(tài)下保存。(4)絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的柵源兩極絕不允許懸空，因?yàn)闁旁磧蓸O如果有感應(yīng)電荷，就很難泄放，電荷積累會(huì)使電壓升高，而使柵極絕緣層擊穿，造成管子損壞。因此要在柵源間絕對(duì)保持直流通路，保存時(shí)務(wù)必用金屬導(dǎo)線(xiàn)將三個(gè)電極短接起來(lái)。在焊接時(shí)，烙鐵外殼必須接電源地端，并在烙鐵斷開(kāi)電源后再焊接?xùn)艠O，以避免交流感應(yīng)將柵極擊穿，并按S、D、G極的順序焊好之后，再去掉各極的金屬短接線(xiàn)。

(5）注意各極電壓的極性不能接錯(cuò)。3.4場(chǎng)效應(yīng)管放大電路簡(jiǎn)介

由于場(chǎng)效應(yīng)管具有輸入電阻高的特點(diǎn)，它適用于作為多級(jí)放大電路的輸入級(jí)，尤其對(duì)高內(nèi)阻的信號(hào)源，采用場(chǎng)放管才能有效地放大。場(chǎng)效應(yīng)管與晶體三極管比較，源極、漏極、柵極相當(dāng)于發(fā)射極、集電極、基極，即S→e，D→c，G→b。場(chǎng)效應(yīng)管有共源極放大電路和源極輸出器兩種電路。下面就這兩種電路進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析。

3.4.1場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的靜態(tài)分析場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制器件，它沒(méi)有偏流，關(guān)鍵是建立適當(dāng)?shù)臇旁雌珘篣GS。

1.自偏壓電路分析結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管常用的自偏壓電路如圖3.14所示。在漏極電源作用下

這種電路不宜用增強(qiáng)型MOS管，因?yàn)殪o態(tài)時(shí)該電路不能使管子開(kāi)啟（即ID=0）。

圖3.14自偏壓電路圖

2.分壓式自偏壓電路分壓式偏置電路如圖3.15所示，其中RG1和RG2為分壓電阻，

式中UG為柵極電位，對(duì)N溝道耗盡型管，UGS＜0，所以，IDRS>UG；對(duì)N溝道增強(qiáng)型管，UGS>0，所以IDRS<UG。

圖3.15分壓式偏置電路

1.3.4絕緣柵雙極晶體管■GTR和GTO是雙極型電流驅(qū)動(dòng)器件，由于具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng)，但開(kāi)關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。而功率MOSFET是單極型電壓驅(qū)動(dòng)器件，開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。

1.3.4絕緣柵雙極晶體管■IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理

◆IGBT的結(jié)構(gòu)

?是三端器件，具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E。?由N溝道VDMOSFET與雙極型晶體管組合而成的IGBT，比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流能力。?簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT

是用GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個(gè)由

MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管。

圖2-23IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡(jiǎn)化等效電路c)電氣圖形符號(hào)RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。

VDMOSFET:提高高壓垂直雙擴(kuò)散MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管

1.3.4絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的工作原理

?IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與功率MOSFET基本相同，是一種場(chǎng)控器件。

?其開(kāi)通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的。

√當(dāng)UGE為正且大于開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通。

√當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT關(guān)斷。

?電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得電阻RN減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。

1.3.4絕緣柵雙極晶體管■IGBT的基本特性

◆靜態(tài)特性

?轉(zhuǎn)移特性

√描述的是集電極電流

IC與柵射電壓UGE之間的關(guān)系。√開(kāi)啟電壓UGE(th)是

IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓，隨溫度升高而略有下降。

（a）圖2-24IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性

1.3.4絕緣柵雙極晶體管?輸出特性（伏安特性）

√描述的是以柵射電壓為參考變量時(shí)，集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關(guān)系。

√分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。

√當(dāng)UCE<0時(shí)，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。

√在功率電子電路中，IGBT工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因而是在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。

(b)圖2-24IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性b)輸出特性

1.3.4絕緣柵雙極晶體管◆動(dòng)態(tài)特性

?開(kāi)通過(guò)程√開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)

電流上升時(shí)間tr

電壓下降時(shí)間tfv

開(kāi)通時(shí)間ton=td(on)+tr+

tfv√tfv分為tfv1和tfv2兩段。

?關(guān)斷過(guò)程

√關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)

電壓上升時(shí)間trv

電流下降時(shí)間tfi

關(guān)斷時(shí)間toff=td(off)+trv+tfi

√tfi分為tfi1和tfi2兩段

?引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而IGBT的開(kāi)關(guān)速度要低于功率MOSFET。

圖2-25IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程1.3.4絕緣柵雙極晶體管■IGBT的主要參數(shù)◆前面提到的各參數(shù)。◆最大集射極間電壓UCES

?由器件內(nèi)部的PNP晶體管所能承受的擊穿電壓所確定的。

◆最大集電極電流

?包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。

◆最大集電極功耗PCM

?在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。

1.3.4絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：

?開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小。

?在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。

?通態(tài)壓降比VDMOSFET(VD垂直雙擴(kuò)散）低，特別是在電流較大的區(qū)域。

?輸入阻抗高，其輸入特性與功率MOSFET類(lèi)似。?與功率MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn)。

1.3.4絕緣柵雙極晶體管■IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)◆IGBT的擎住效應(yīng)?在IGBT內(nèi)部寄生著一個(gè)N-PN+晶體管和作為主開(kāi)關(guān)器件的P+N-P晶體管組成的寄生晶閘管。其中NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的橫向空穴電流會(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對(duì)J3結(jié)施加一個(gè)正向偏壓，一旦J3開(kāi)通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控，這種現(xiàn)象稱(chēng)為擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)。

?引發(fā)擎住效應(yīng)的原因，可能是集電極電流過(guò)大（靜態(tài)擎住效應(yīng)），dUCE/dt過(guò)大（動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)），或溫度升高。

?動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流還要小，因此所允許的最大集電極電流實(shí)際上是根據(jù)動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)而確定的。1.3.4絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的安全工作區(qū)

?正向偏置安全工作區(qū)（ForwardBiasedSafeOperatingArea——FBSOA）

√根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。

?反向偏置安全工作區(qū)（ReverseBiasedSafeOperatingArea——RBSOA）

√根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率dUCE/dt。

2.2其他新型功率電子器件

2.1.3MOS控制晶閘管MCT

2.2.2靜電感應(yīng)晶體管SIT

2.2.3靜電感應(yīng)晶閘管SITH

2.2.4集成門(mén)極換流晶閘管IGCT

2.2.5基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的功率

電子器件2.1.3MOS控制晶閘管MCT■MCT（MOSControlledThyristor）是將MOSFET與晶閘管組合而成的復(fù)合型器件。

■結(jié)合了MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功率、快速的開(kāi)關(guān)過(guò)程和晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降的特點(diǎn)?！鲇蓴?shù)以萬(wàn)計(jì)的MCT元組成，每個(gè)元的組成為：一個(gè)PNPN晶閘管，一個(gè)控制該晶閘管開(kāi)通的MOSFET，和一個(gè)控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。

■其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。

2.2.2靜電感應(yīng)晶體管SIT■是一種結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管?！鍪且环N多子導(dǎo)電的器件，其工作頻率與功率MOSFET相當(dāng)，甚至超過(guò)功率MOSFET，而功率容量也比功率MOSFET大，因而適用于高頻大功率場(chǎng)合?！鰱艠O不加任何信號(hào)時(shí)是導(dǎo)通的，柵極加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，這被稱(chēng)為正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便，此外SIT通態(tài)電阻較大，使得通態(tài)損耗也大，因而SIT還未在大多數(shù)功率電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。

2.2.3靜電感應(yīng)晶閘管SITH■可以看作是SIT與GTO復(fù)合而成?！鲇直环Q(chēng)為場(chǎng)控晶閘管（FieldControlledThyristor——FCT），本質(zhì)上是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強(qiáng)?！銎浜芏嗵匦耘cGTO類(lèi)似，但開(kāi)關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。■一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。

2.2.4集成門(mén)極換流晶閘管IGCT■是將一個(gè)平板型的GTO與由很多個(gè)并聯(lián)的功率MOSFET器件和其它輔助元件組成的GTO門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路采用精心設(shè)計(jì)的互聯(lián)結(jié)構(gòu)和封裝工藝集成在一起?！鋈萘颗c普通