由于这种结构中,集电极能以PN结构结合,具有ν层薄而比电阻高的优点,即使提 高电极电压,也可获得较大的电流。增加三重扩散型结构中的ν层的比电阻和厚度,以及 借用晶闸管中的斜削等表面处理技术,即可得到高耐效果。但是由图17可知,单位发 射极面积的容许电流随着耐压增大而减少。所以,要得到容量相同的电流,又要得到高耐 压,只得增大面积。B采用金属铜等导电材料把台形发射极区电极连接起来(见图1-6), 这样就把各电极电流集合起来,从而得到大的发射极电流。 13.2工诈原理及輸出特性 BJr有三种不同的基本电路,即共发射极电路、共基极电路和共集电极电路见图1-8 所示。共发射极电路是电力电子电路中最常用的电路形式。 11 图F8B三种基本电路 (a)共发射极电路;(b)共基极电路;(c)共集电极电路 由BT三重扩散型结构可知,在不同类型半导体区的交界处会形成PN结。发射极和 基极交界处的发射结J与集电极和基极交界处的集电结J通过很薄的基极区相联系。为 了能传送和控制载流子的运动,发射结要加正向电压,使其空间电荷区变窄;集电结要加 反向电压,使其空间电荷区变宽。这样将由发射极区向基极区流入电子,并经发射结JE 扩散到基极区,形成发射极电流l2,其方向与电 少%C 子流动方向相反。图1-9所示为共基极电路晶体 管的电流分配关系。其他电路结构时这个分配关 系也相同。在形成电子流的同时,基极区空穴也 扩散到发射极区,但是由于发射极区杂质浓度比 P c N 基极区高得多(一般高几百倍),这部分空穴电 流比电子流小得多,可以忽略不计,因此图中未 图19晶体管的电流分配关系 画出。由发射极区注入基极区的大量电子,由于 浓度高继续向集电极区扩散,在扩散过程中有一部分电子与基极区的空穴复合,同时接在 基极区的电源U正端不断从基极区接走部分电子,形成基极电流l。由于集电极加的是 反向电压,它对扩散到集电极边缘的电子有很强的吸收力,使电子能很快地漂移过集电结 为集电极区所收集,形成集电极电流l。另一方面,在集电结的反向电压作用下,基极 区內的少数载流子电子和集电极区内的少数载流子空穴形成反向漂移电流I,因为少数
载流子浓度小且数量有限,因此它的数量很小。 上述过程表明,由于在基极区复合,发射极区流入基极区的电子并非全部到达集电 极。晶体管制成以后,复合所占的比例就定了,从而由发射极区注入的电子传输到集电结 的百分比也是一定的,这个百分比用a表示,当忽略lm时,有 a= Icle 系数a是共基极电路的电流放大倍数,亦称电流传输比。由于晶体管中载流子运动 时必须有基极电流,所以α总是小于1的。当晶体管的性能好、传输率很高时,a可接近 对于图1-8(a)所示的B最常使用的共发射极电路,最重要的参数为基极电流ln 与集电极电流lc之比。由图可知,发射极电流lε为基极电流l与集电极电流lc之和。 所以 Ic I c Ic/lE IB Ie - c IC/lE (1-2) β称为共射极电路的电流放大倍数。若a接近于1,则β的数值会很大。它反映了BT的 放大能力,就是用较小的基极电流l1可以控制大的集电极电流l。当晶体管作为大功率 开关管使用时,在理想情况下,当不加l时晶体管截止,可视为开路,即Ic为零;当l 加得足够大时,由于B很大,可认为l能达到外电路允许的数值,则可视为晶体管短路。 在实际工作中开关管从一种状态转换到另一种状态需要一定的切换时间,当切换时间与工 作时间相比可以忽略时,晶体管的工作情况就接近于理想情况了。 B共射极电路输出特性如图1-10所示,它表示集电极电流l与集射极电压Ux的关 系。其参变量为l,特性曲线的四个区域反映了B的四种工作状态。 在晶体管关断状态时,基极电流lB=0,集 电极发射极间电压即使很高,但发射结与集电 结均处于反向偏置,即m≤0,k<0,发射/怒和、的“和区/线性放大区失构 结不注入电子,仅有很少的漏电流流过,在特 性上对应于截止区(Ⅰ区),相当于处于关断状 态的开关。 当发射结处于正向偏置而集电结仍为反向 偏置时,即U匪>0,UB<0,随着lB增加,集 电极电流l线性增大,晶体管呈放大状态,特 性上对应线性放大区(Ⅱ区)。 随着基极电流增大,导致集电极电压下降, 电流增益β开始下降,使特性呈现出非线性关图0BT共发射极电路的输出特性 系。这时集电结仅有很低的反偏压,B进入临界饱和区(Ⅲ区) 当基极电流l>(llB)时,晶体管就充分饱和了。这时发射结和集电结都是正向偏 置,即U>0,U>0,电流增益P和导通压降Ulx均达到最小值,B进入饱和区(I
区)。BT工作在饱和区,相当于处于导通状态的开关。与一般开关不同的是,它本身有 定的压降。这时集射极间电压用Ux表示、称之为饱和压降。它直接影响“开关”功 耗的大小,是很重要的参数。 BT作为开关元件使用时,开关状态的转换应尽可能高速进行,并且尽可能避免工作 于线性放大区,因为那样会造成很大的损耗。这一状态的转换过程随负载阻抗不同而异。 图1-10所示为负载曲线之一例。 图1-10还显示出,当U超过一定值时,l会急剧上升,出现非线性。这时晶体管 工作已进入失控区。Uα再进一步增加晶体管就会雪崩击穿,这时对应的电压就是Um 133升快特性 图1-1l(a)是B共射极开关电路原理图。图中U∝、U园分别表示集电极和发射极 的反向偏置电压。当基极回路输入一幅值为U(U>lm)的正脉冲信号时,基极电流 立即上升到h=-厘-,在h的作用下,发射结逐浙由反偏变为正偏,BT由截 止状态变为导通状态。集电极电流l上升到负载电阻压降lR1≥(U-Ulm)时,集电 结变为零偏甚至正偏,集电极与发射极之间的压降Uc≈0,B工作在饱和状态,B相 当于一闭合的开关。 图1-1B的开关特性 (a)共射极开关电路原理图;(b)特性曲线 当基极输入脉冲为负或零时,Br的发时结和集电结都处于反向偏置,集电极电流逐 渐下降到lc=lcm≈0,因此负载电阻R1上的压降可以忽略不计,集电极与发射极之间的 压降Ud≈Ua,即BJT工作在截止状态,B相当于一断开的开关。 BT从一种工作状态向另一种工作状态转换时,其内部少数载流子浓度分布也跟着变 化,而少数载流子的分布却不能在瞬间发生突变,因此,BT从一个状态转换到另一状
态,需要一个过渡过程。 设图11(a)所示电路在t1时刻输入正脉冲信号,并假定输入的脉冲信号和基极电 流是理想的[见图1-1l(b)]。从图中可知,当基极电流突变到正的最大值时,集电极电 流却要经过一段延迟时间后才会上升。这是因为发射结由截止时的反偏状态转换到正偏需 要一个变化过程,需要基极电流对PN结空间电荷区充电,使空间电荷区变窄,结压降上 升,直到发射结偏压上升到导通压降时,集电极电流才开始上升。基区积累电荷不断增 加,集电极电流随着基区积累电荷的增加而进一步增大,当集电极电流增大到l:=(Uc U匪)/R1时、集电结变为零偏,BT进人临界饱和状态。这时,如果存在过驱动电流, 则过驱动电流将对结电容继续充电,使集电结电压继续升高,集电结由零偏变到正偏。同 时,过驱动电流将在集电区和基区内产生超量贮存电荷,于是B进入深度饱和状态,集 电极电流上升到饱和值lc,此时,I=(Ux-Ul)/R1。 若在t2时刻输入脉冲负跳变到零,则基极电流立即反向,但此时集电极电流并不立 即下降,并且在一段时间内仍然维持饱和集电极电流l值,直到43时刻,集电极电流才 开始下降。这是因为当输入脉冲去掉后,基区和集电区的超量存贮电荷并不立即消失。由 于在超量存贮电荷消失之前的时间内,集电结和发射结仍处于正向偏置状态,因而集电极 电流维持l不变。在反向基极电流的作用下,超量存贮电荷通过反向基极电流的抽出与 少数载流子的复合而逐渐消失,结压降也随存贮电荷的消失而下降。当集电极电压下降到 零偏时,BT立即脱离饱和区,这时集电极电流才开始下降。在抽出电流的作用下,基区 积累电荷进一步减少,集电极电流进一步下降,直到基区积累电荷全部被抽出,发射结 集电结都进入反向偏置状态,基极电流和集电极电流都下降到零,B才恢复到截止开关 状态。到此为止,B完成了一个由“关”到“开”,再由“开”到“关”的开关全过程。 图1-11(b)中的t叫开通时间,它表示BT由截止状态过渡到导通状态所需要的时 间。它由延迟时间t和上升时间t,两部分组成,tm=t+t, t为延迟时间,表示从加入驱动脉冲起,到集电极电流上升到0lo止所需要的时 t,为上升时间,表示集电极电流从0.1Cc上升到09l所需要的时间。 形入m叫关断时间,表示B由导通状态过渡到截止状态所需要的时间。它由存贮时间t 降时间t组成 t,为存贮时间,表示输入脉冲 由正跳变到零时刻开始,直到集电极 电流下降到09l所需要的时间。 l为下降时间,表示集电极电流 从0.9lc起下降到0.1止所需要的 时间。 Br在开关电源、脉冲宽度调制 图1-2功率晶体管的开关损耗 及交直流电动机的驱动等应用中,几 a)导通;(b)截止
乎都是工作在开关状态,因此开关速度,即相应的tm和tm是两个非常重要的参数,它不 仅影响到开关的频率,而且还影响到开关损耗。元件在开关过程中,由集电极电压和电流 乘积表示的瞬态功率损耗为△P=1。L,如图1-12所示。 如果开关速度慢,即tm和t值较大,那么瞬态功率损耗维持的时间长了,就有可能 导致元件产生二次击穿。 功率品体管的开关时间一般都是微秒数量级。在实际应用中,开关时间的大小,还与 驱动条件和负载性质有关。 1.3.4二次击期与安全无作区 (一)二次击穿与保护 次击穿是晶体管突然损坏的主要原因之一。自1957年发现二次击穿现象以来,二 次击穿现象一直受到极大的重视,因为它已成为影响功率晶体管BT安全可靠应用的重要 因素。 二次击穿现象可以用图113来说明。当集电极电压U逐渐增加到集电结雪崩击穿点 A时,电流lc急剧增加到B点,并短暂停留在B点,由于此时Uc较高,产生相当大的 能量,使集电结局部温度过高,出现过热点。当停留时间达到r时,若满足一定的触发 能量EsB=Psr,则Uax会急剧下降到某一电压Us。如果外电路没有限流措施,集电极电 流l会继续增大,进入低压大电流区域CD段,直到管子被烧坏。这种向低压大电流状态 的跃变就叫二次击穿。图中的B点就叫二次击穿的触发点或称二次击穿临界点。稳定电 压Us称为二次击穿维持电压,其数值随二次击穿的种类不同而稍有不同,一般为10~15V 二次击穿在正偏(>0)、反偏(l<0)和基极开路或基射极短路(零偏)状态下 都存在。不同条件下二次击穿触发点的连线称为二次击穿临界线或二次击穿功耗线,如图 1-14所示。图中分别给出了表示发射结正向、零、反向等三种不同偏置时的二次击穿曲 线。二次击穿触发点分别对应的电压称为二次击穿临界电压,对应的电流称为二次击穿临 界电流,对应的二次击穿触发功率分别为二次击穿临界电压和临界电流的乘积,如:反偏 二次击穿触发功率Ps= ISBR USBR;零偏二次击穿触发功率Ps= Ismo u;正偏二次击穿 触发功率Ps=lsUs 二次击穿嘶界线 次雪崩 图1-13二次击穿实验曲线 图1-14二次击穿临界线