门极可关断晶闸管（GTO)

电力场效应晶体管（Power MOSFET）

绝缘栅双极晶体管（IGBT）

通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件被称为全控型器件，又称为自关断器件；这类器件很多，门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor—GTO），电力场效应晶体管（Power MOSFET），绝缘栅双极晶体管（Insulate-Gate Bipolar Transistor—IGBT）均属于此类。

门极可关断晶闸管（GTO)

门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor—GTO）也是晶闸管（Thyristor）的一种派生器件，但可以通过在门极施加负脉冲使其关断，因而属于全控型器件；它和普通晶闸管一样，也是PNPN四层结构，外部引出三个极，阳极，阴极和门极；工作条件同普通晶闸管；其主要用于兆瓦级以上的大功率场合。

电力场效应晶体管（Power MOSFET）

电力MOS场效应管

通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），简称电力MOSFET（Power MOSFET）

结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）。 是一种单极型的电压控制全控型器件。

特点——用栅极电压来控制漏极电流

输入阻抗高

驱动电路简单，需要的驱动功率小。

开关速度快，工作频率高。

热稳定性优于GTR。

电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 。

电力MOSFET的种类

按导电沟道可分为P沟道和N沟道。

耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。

增强型——对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。

电力MOSFET主要是N沟道增强型。

电力MOSFET的结构

小功率MOS管是横向导电器件。

电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。

按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。

这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。

电力MOSFET的工作原理（N沟道增强型VDMOS）

截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。

P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。

导电：在栅源极间加正电压UGS

当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 。

电力MOSFET的基本特性

(1)静态特性

漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。

ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。

(2)MOSFET的漏极伏安特性（即输出特性）：

截止区（对应于GTR的截止区）

饱和区（对应于GTR的放大区）

非饱和区（对应GTR的饱和区）

工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。

漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时导通。

通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。

(3)动态特性

开通过程

开通延迟时间td(on)

上升时间tr

开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和

关断过程

关断延迟时间td(off)

下降时间tf

关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和

MOSFET的开关速度

MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。

可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。

不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。

开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。

场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。

开关频率越高，所需要的驱动功率越大。

电力MOSFET的主要参数

除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有：

(1)漏极电压UDS——电力MOSFET电压定额

(2)漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM——电力MOSFET电流定额

(3)栅源电压UGS—— UGS>20V将导致绝缘层击穿 。

(4)极间电容——极间电容CGS、CGD和CDS

另一种介绍说明：

场效应管（Fjeld Effect Transistor简称FET ）是利用电场效应来控制半导体中电流的一种半导体器件，故因此而得名。场效应管是一种电压控制器件，只依靠一种载流子参与导电，故又称为单极型晶体管。与双极型晶体三极管相比，它具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗小、制造工艺简单和便于集成化等优点。

场效应管有两大类，结型场效应管JFET和绝缘栅型场效应管IGFET，后者性能更为优越，发展迅速，应用广泛。图Z0121 为场效应管的类型及图形、符号。

一、结构与分类

图 Z0122为N沟道结型场效应管结构示意图和它的图形、符号。它是在同一块N型硅片的两侧分别制作掺杂浓度较高的P型区（用P 表示），形成两个对称的PN结，将两个P区的引出线连在一起作为一个电极，称为栅极（g），在N型硅片两端各引出一个电极，分别称为源极（s）和漏极（d）。在形成PN结过程中，由于P 区是重掺杂区，所以N一区侧的空间电荷层宽度远大 。

二、工作原理

N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同，只是偏置电压的极性和载流子的类型不同而已。下面以N沟道结型场效应管为例来分析其工作原理。电路如图Z0123所示。由于栅源间加反向电压，所以两侧PN结均处于反向偏置，栅源电流几乎为零。漏源之间加正向电压使N型半导体中的多数载流子-电子由源极出发，经过沟道到达漏极形成漏极电流ID。

1．栅源电压UGS对导电沟道的影响（设UDS＝0）

在图Z0123所示电路中，UGS ＜0，两个PN结处于反向偏置，耗尽层有一定宽度，ID=0。若|UGS| 增大，耗尽层变宽，沟道被压缩，截面积减小，沟道电阻增大；若|UGS| 减小，耗尽层变窄，沟道变宽，电阻减小。这表明UGS控制着漏源之间的导电沟道。当UGS负值增加到某一数值VP时，两边耗尽层合拢，整个沟道被耗尽层完全夹断。（VP称为夹断电压）此时，漏源之间的电阻趋于无穷大。管子处于截止状态，ID＝0。

2．漏源电压UGS对漏极电流ID的影响（设UGS＝0）

当UGS＝0时，显然ID＝0；当UDS＞0且尚小对，P N结因加反向电压，使耗尽层具有一定宽度，但宽度上下不均匀，这是由于漏源之间的导电沟道具有一定电阻，因而漏源电压UDS沿沟道递降，造成漏端电位高于源端电位，使近漏端PN结上的反向偏压大于近源端，因而近漏端耗尽层宽度大于近源端。显然，在UDS较小时，沟道呈现一定电阻，ID随UDS成线性规律变化（如图Z0124曲线OA段）；若UGS再继续增大，耗尽层也随之增宽，导电沟道相应变窄，尤其是近漏端更加明显。

由于沟道电阻的增大，ID增长变慢了（如图曲线AB段），当UDS增大到等于|VP|时，沟道在近漏端首先发生耗尽层相碰的现象。这种状态称为预夹断。这时管子并不截止，因为漏源两极间的场强已足够大，完全可以把向漏极漂移的全部电子吸引过去形成漏极饱和电流IDSS （这种情况如曲线B点）：当UDS＞|VP|再增加时，耗尽层从近漏端开始沿沟道加长它的接触部分，形成夹断区 。

由于耗尽层的电阻比沟道电阻大得多，所以比|VP|大的那部分电压基本上降在夹断区上，使夹断区形成很强的电场，它完全可以把沟道中向漏极漂移的电子拉向漏极，形成漏极电流。因为未被夹断的沟道上的电压基本保持不变，于是向漏极方向漂移的电子也基本保持不变，管子呈恒流特性（如曲线BC段）。但是，如果再增加UDS达到BUDS时（BUDS称为击穿电压）进入夹断区的电子将被强电场加速而获得很大的动能，这些电子和夹断区内的原子碰撞发生链锁反应，产生大量的新生载流予，使ID急剧增加而出现击穿现象（如曲线CD段）。

由此可见，结型场效应管的漏极电流ID受UGS和UDS的双重控制。这种电压的控制作用，是场效应管具有放大作用的基础。

三、特性曲线

1．输出特性曲线

输出特性曲线是栅源电压UGS取不同定值时，漏极电流ID 随漏源电压UDS 变化的一簇关系曲线，如图Z0124所示。由图可知，各条曲线有共同的变化规律。UGS越负，曲线越向下移动）这是因为对于相同的UDS，UGS越负，耗尽层越宽，导电沟道越窄，ID越小。

由图还可看出，输出特性可分为三个区域即可变电阻区、恒流区和击穿区。

可变电阻区：预夹断以前的区域。其特点是，当0＜UDS＜|VP|时，ID几乎与UDS呈线性关系增长，UGS愈负，曲线上升斜率愈小。在此区域内，场效应管等效为一个受UGS控制的可变电阻。

恒流区：图中两条虚线之间的部分。其特点是，当UDS＞|VP|时，ID几乎不随UDS变化，保持某一恒定值。ID的大小只受UGS的控制，两者变量之间近乎成线性关系，所以该区域又称线性放大区。

击穿区：右侧虚线以右之区域。此区域内UDS＞BUDS，管子被击穿，ID随UDS的增加而急剧增加。

2．转移特性曲线

当UDS一定时，ID与UGS之间的关系曲线称为转移特性曲线。实验表明，当UDS＞|VP|后，即恒流区内，ID 受UDS影响甚小，所以转移特性通常只画一条。在工程计算中，与恒流区相对应的转移特性可以近似地用下式表示：Id=Idss(1-Ugs/Vp)(1-Ugs/Vp)

式GS0127中VP≤UGS≤0，IDSS是UGS＝0时的漏极饱和电流。

绝缘栅双极晶体管（IGBT）

IGBT的结构和工作原理

IGBT的结构

☞是三端器件，具有栅极G、

集电极C和发射极E。

☞由N沟道VDMOSFET与双

极型晶体管组合而成的IGBT，

比VDMOSFET多一层P+注入

区，实现对漂移区电导率进行调

制，使得IGBT具有很强的通流

能力。

☞简化等效电路表明，IGBT

是用GTR与MOSFET组成的达

林顿结构，相当于一个由

MOSFET驱动的厚基区PNP晶

体管。

图2-23 IGBT的结构、

简化等效电路和电气图

形符号a) 内部结构断

面示意图

b) 简化等效电路

c) 电气图形符号

RN 为晶体管基区内的调制电阻。

IGBT的工作原理

☞IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种场

控器件。

☞其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的。

√当UGE为正且大于开启电压UGE(th)

时，MOSFET内形成 沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。

√当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，

MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使 得IGBT关断。

☞电导调制效应使得电阻RN减小，这样高耐压的IGBT也

具有很小的通态压降。

IGBT的基本特性

静态特性

转移特性描述的是集电极电流IC与栅射电压UGE之间的关系。

开启电压UGE(th)是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压，随温度升高而略有下降。

IGBT的转移特性和输出特性

a) 转移特性

IGBT的特性和参数特点可以总结如下：

☞开关速度高，开关损耗小。

☞在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安

全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的

能力。

☞通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较

大的区域。

☞输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类

似。

☞与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和

通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高

的特点。