了解NPN型电力晶体管的结构与特性

电力晶体管，通常用GTR表示。GTR是电力晶体管（Giant Transistor）的缩写，由于其电流是由电子和空穴两种载流子运动形成的，故又称为双极型晶体管（Bipolar Junction Tran-sistor，BJT），GTR与BJT这两个名称是等效的。

1.电力晶体管的结构和工作原理

电力晶体管的结构和工作原理都和小功率晶体管非常类似。GTR由三层半导体、两个PN结组成。和小功率晶体管一样，它有PNP和NPN两种类型。由于在同样结构和物理参数条件下，NPN型晶体管比PNP型晶体管的性能有明显的优越性，所以高压大功率电力晶体管多用NPN结构，本节主要介绍这种结构的器件。

图1-23a是NPN型电力晶体管的内部结构，电气图形符号如图1-23b所示。电力晶体管通常采用共发射极接法，图1-24给出了共发射极接法时的电力晶体管内部主要载流子的流动示意图。图1-24中，1为从基极注入的越过正向偏置发射结的空穴，2为与电子复合的空穴，3为因热骚动产生的载流子构成的集电结漏电流，4为越过集电结形成集电极电流的电子，5为发射电子流在基极中因复合而失去的电子。

集电极电流i_c与基极电流i_b的比称为GTR的电流放大系数。它是一个很重要的参数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力，具体定义为

GTR作开关应用时，其直流增益（h_FE）很重要，具体定义为

通常可以认为。

它是集电极电流的直流值与基极电流直流值之比。直流增益决定了需要限制饱和压降达到理想值时基极驱动的电流值。β值的大小随集电极电流I_c的不同而变化。集电极、发射极之间的电压U_ce和管壳温度T对β值也有影响。图1-25所示为不同U_ce、T时β和I_c的关系曲线。可以看出：β随I_c的增大而增大，但I_c过大时β反而迅速下降；T升高时，β增大，但I_c过大时，I_c升高，β反而下降；U_ce反极性时β很小。GTR的β比小功率晶体管小得多，通常在10左右。

共发射极接法时，GTR的典型输出特性曲线如图1-26所示，可分为3个工作区：

1）截止区：在截止区内，I_b≤0，U_ce≤0，U_bc＜0，集电极只有漏电流流过。

2）放大区：I_b＞0，U_be＞0，U_bc＜0，I_c=βI_b。

3）饱和区：，U_be＞0，U_bc＞0。I_cs是集电极饱和电流，其值由外电路决定。两个PN结都为正向偏置是饱和的特征。饱和时集电极、发射极间的管压降U_ces很小，相当于开关接通，这时尽管电流很大，但损耗并不大。GTR刚进入饱和区时为临界饱和，如I_b继续增加，则为过饱和。用作开关时，应工作在深度饱和状态，这有利于降低U_ces和减少导通时的损耗。

图1-23 电力晶体管的结构及电气图形符号(www.xing528.com)

a）NPN型电力晶体管内部结构 b）电气图形符号

图1-24 电力晶体管内载流子的流动

图1-25 不同U_ce、T时β与I_c的关系曲线

图1-26 GTR共发射极接法时的典型输出特性

2.GTR的开关特性

GTR在实际应用中，通常工作在频繁开关状态。为正确、有效地使用GTR，应了解其开关特性。图1-27所示为GTR开关过程中i_b、i_c的波形。

图1-27 开关过程中i_b和i_c的波形

要关断GTR，通常给基极加一个负的电流脉冲。但集电极电流并不能立刻减小，而要经过一段时间才能开始减小，再逐渐降为零。GTR在关断时漏电流很小，导通时饱和压降很小。因此，GTR在导通和关断状态下损耗都很小。但在关断和导通的转换过程中，电流和电压都较大，所以开关过程中损耗也较大。当开关频率较高时，开关损耗是总损耗的主要部分。