2.3 电力晶体管
对二极管再增加一层半导体，就能够形成3层结构的晶体管，它包括pnp型和npn型，电力晶体管几乎都是npn型的，所以在此对npn型晶体管进行说明。晶体管结构如图2.9所示，3个电极分别称为集电极（Collector，C）、发射极（Emitter，E）和基极（Base，B）。
图2.9 晶体管的nipn结构和耗尽层，以及工作时载流子的流动
下面考虑晶体管的工作过程。集电极C和发射极E间施加正向的集电极电压ECE，基极B不加电压，如图2.9a所示，集电极侧的pn结承受反向电压，形成耗尽层，没有电流流动。电力晶体管为了获得高的耐压，采用与pin二极管相同的原理，即添加少量的杂质n-层，使得耗尽层变厚。
其次，图2.9b是考虑基极-发射极间施加正向电压EBE时，BE间耗尽层消失，基极电流IB的流动情况。EBE电压一旦施加，少数载流子立即从两侧开始注入，从发射极被注入的大部分自由电子很快受到其旁边pn结耗尽层的电场吸引，向集电极方向流动，从而形成集电极电流IC，另外一小部分自由电子向基极流出，形成基极电流IB。另一方面，从基极被注入到发射极的空穴也成为IB的一部分，但其对工作过程没有特别的贡献。结果IC>>IB，这里发生了电流的放大作用，将IC与IB的比值称为电流放大系数（current amplification factor），它在低压小容量晶体管中可达千倍，但在电力晶体管中为了提高耐压，所设计的结构限制其至多5～10倍。晶体管的耐压是指在没有基极电流时所设计的外加可能的最大集射极间电压（集射极间击穿电压），在器件的数据手册中用VCEO表示。
再者，根据图2.10b所示的晶体管基极电流来说明其控制特性。以基极电流作为参量，图中所示为集电极端电压VCE与电流IC间的特性关系。当基极电流IB=0时，相当于只有极小的二极管漏电流在流动，称这种工作区域为截止区，晶体管处于截止状态。当有基极电流流动时，集电极电流IC激增到某一程度，且在一定值时达到顶点，这个顶点的电流值受基极电流控制。当施加足够大的基极电流时，集电极电流具有几乎垂直向上的特性，称这种运行区域为饱和区，相当于晶体管的导通状态。两者中间的区域称为放大区，在放大区中晶体管自身损耗大，所以不能作为开关器件的使用范围，但是在开关的过渡过程中，通过该区域的影响可以忽略。另外，图中所示的静态安全工作区SOA（safety operation area）表示考虑器件温升时所计算的最大允许耗散电功率。在过渡过程中，则必须以动态SOA（参考2.9.1节的（6））来考虑允许耗散电功率，它与静态SOA相比具有更大的容许值。
图2.10 电力晶体管的图形符号、静态运行特性及理想特性
电力晶体管的图形符号如图2.10a所示，通过控制基极电流，晶体管进行开关动作。图2.10c所示为用于仿真等情况时作为开关器件的电力晶体管的理想特性，即在注入基极电流时表现为零电阻，基极电流中止注入时变为无限大电阻。另外，如果集射极间电压VCE变为负值，即使几伏的低电压，也会损坏电力晶体管，因此集射极间原则上不能施加负电压。(https://www.daowen.com)
由于电力晶体管是双极型器件，所以在开通状态下，中间的p层被注入来自发射n层的大量少数载流子的电子。欲关断电力晶体管时，应首先施加反向基极电流，以便抽出留在这部分的电子，如果基极层构造太深抽出少数载流子的速度较慢，则必须使晶体管形成微细构造，一般制作成很多细长的小晶体管并列连接来构成，即使是这样的结构，关断时间也要几μs，甚至超过10μs。电力晶体管是第一个可以通过控制端（基极端）实现自由地开通和关断控制的开关器件，因为要实现这个器件必须要有微细构造的技术，与开发他励关断的晶闸管（参考2.4.2节）相比，它的实用化进程晚了大约20年。在它实用化之后，电动机驱动技术一举蓬勃发展。不过，作为开关器件的电力晶体管也具有一些缺点，列举如下：
1）因为是双极型器件，所以关断时间长；
2）电流增益低，约为5倍；
3）作为电流控制类型的器件，为了实现控制，经常需要很大的基极电流，因此基极驱动功率大；
4）集电极n层在通电时无处可注入空穴，仅依靠电子导电，所以导电率低，正向电压降总体上变大；
5）很难制作出1200V以上的高耐压器件。
另外，作为电流增益的补偿方法，可以将数段晶体管级联构成达林顿接法（Darlington connection）的晶体管，图2.11所示为它的构成，将各段增益的乘积作为整体的增益，缺点是导通时正向压降会变高。例如，对于1200V/50A的3段达林顿接法的晶体管，如果电流增益设计为750，则集射极间饱和压降大约为4V。当电流增益降低为75时，饱和电压会降至3V左右。在IGBT发展起来之前，这种开关器件一直是电动机驱动的主角，然而随着IGBT的出现一路衰退，现在几乎不再使用。
图2.11 2段和3段达林顿接法的晶体管构成