電力半導(dǎo)體器件上冊VIP

1、目 錄第一章 電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展概況51.1 電力半導(dǎo)體器件與電力電子技術(shù)51.2 電力半導(dǎo)體器件的分類與發(fā)展61.2.1 雙極型電力半導(dǎo)體器件61.2.2 mos結(jié)構(gòu)電力半導(dǎo)體器件91.2.3電力整流管121.2.4功率集成電路（pic）131.3新型半導(dǎo)體材料在電力半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用13第二章 電力整流管152.1 電力整流二極管的基本結(jié)構(gòu)和類型152.1.1功率二極管的基本結(jié)構(gòu)152.1.2 功率整流管的基本類型15 2.2 pn結(jié)二極管162.2.1整流方程162.3 pin二極管172.3.1 pin二極管的一般理論172.3.2 pin二極管的正向特性192.3.3降低二極管正向

2、壓降的途徑242.3.4 pin二極管的反向恢復(fù)262.4 二極管的反向耐壓特性與耐壓設(shè)計282.4.1 單邊突變結(jié)（p-n）結(jié)的雪崩擊穿電壓282.4.2 p+nn+二極管的擊穿電壓29 2.4.3二極管耐壓的設(shè)計302.5 表面造型與保護322.5.1表面電場與表面擊穿32 2.5.2結(jié)的的邊緣造型技術(shù)33 2.5.3 整流管的表面造型372.5.4 p-n結(jié)的表面鈍化與保護372.6 快速整流管402.6.1 反向恢復(fù)時間402.6.2 快速整流管高頻應(yīng)用的原理402.6.3快速整流管的電參數(shù)412.7 肖特基整流管412.7.1肖特基勢壘的伏安特性412.7.2 肖特基整流管的結(jié)構(gòu)及其

3、電參數(shù)的特色422.8 mps二極管432.8.1mps二極管的結(jié)構(gòu)442.8.2 mps二極管的靜態(tài)特性442.8.3瞬態(tài)特性46第三章 巨型晶體管(gtr)483.1 達林頓晶體管483.1.1簡單級連達林頓晶體管483.1.2 實用功率達林頓晶體管493.1.3 功率達林頓晶體管中得電阻503.1.4 r1阻值與ib、icm的關(guān)系523.1.5 r1 、r2電阻阻值對器件開關(guān)特性得影響533.2 功率達林頓器件的版圖設(shè)計方法543.3 功率達林頓器件的縱向結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計553.3.1 高阻層厚度及電阻率的確定563.3.2結(jié)深的控制原則563.3.3基區(qū)表面濃度與次表面濃度對器件性能的影

4、響573.4 功率達林頓晶體管的特性曲線583.4.1 bvebo特性曲線583.4.2 bvceo曲線583.4.3輸出特性曲線593.5 gtr模塊及其特點593.6 gtr芯片的設(shè)計613.6.1發(fā)射區(qū)圖形的設(shè)計613.6.2 gtr芯片內(nèi)部各管面積的分配623.6.3 gtr芯片內(nèi)部電阻r1r3的設(shè)計633.6.4芯片設(shè)計中電阻對gtr性能影響的定量分析643.7 gtr結(jié)構(gòu)的設(shè)計643.7.1 gtr的內(nèi)部結(jié)構(gòu)653.7.2 gtr的外部結(jié)構(gòu)673.7.3 gtr的電路結(jié)構(gòu)68第四章 晶閘管靜態(tài)特性704.1 概述704.1.1基本結(jié)構(gòu)和基本特性704.1.2基本工作原理724.2

5、晶閘管的耐壓能力734.2.1pnpn結(jié)構(gòu)的反向轉(zhuǎn)折電壓734.2.2 pnpn結(jié)構(gòu)的正向轉(zhuǎn)折電壓754.2.3晶閘管的高溫特性764.3 晶閘管最佳阻斷參數(shù)的確定794.3.1最佳正、反向阻斷參數(shù)的確定794.3.2 因子設(shè)計法824.3.3 p2區(qū)相關(guān)參數(shù)的估算844.4 晶閘管的門極特性與門極參數(shù)的計算894.4.1 晶閘管的觸發(fā)方式894.4.2 門極參數(shù)934.4.3門極觸發(fā)電流、觸發(fā)電壓的計算934.3.3中心放大門極觸發(fā)電流、電壓的計算964.5 晶閘管的通態(tài)特性994.5.1通態(tài)特征分析994.5.2 計算晶閘管正向壓降的模型1014.5.3 正向壓降的計算103第五章 晶閘管

6、動態(tài)特性1095.1晶閘管的開通過程與特性1095.1.1 晶閘管開通時的電流電壓變化1095.1.2 開通過程1115.1.3 開通時間1125.1.4 等離子區(qū)的擴展1155.1.5 開通過程中的功率損耗1185.2 通態(tài)電流臨界上升率1195.2.1 開通過程中的電流上升率(di/dt)1195.2.2 提高di/dt耐量的措施1205.3 斷態(tài)電壓臨界上升率1235.3.1 dv/dt引起的開通1235.3.2 提高dv/dt耐量的途徑1245.4 關(guān)斷特性1265.4.1 關(guān)斷方法1265.4.2 關(guān)斷的物理過程1275.4.3 關(guān)斷時間與元件參數(shù)之間的關(guān)系1305.4.4 減小關(guān)斷

7、時間的措施131第六章 耗散功率與散熱1336.1耗散功率1336.1.1通態(tài)耗散功率1336.1.2 開通耗散功率1346.1.3 關(guān)斷耗散功率1346.1.4 阻斷耗散功率1346.1.5 門極耗散功率1356.2散熱1356.2.1 自然冷卻散熱1366.2.2 風冷散熱1366.2.3水冷散熱1376.2.4油冷散熱1376.2.5沸騰冷卻散熱138第七章 晶閘管的設(shè)計1397.1 晶閘管設(shè)計的特點及原則1397.1.1 晶閘管設(shè)計的特點1397.1.2 設(shè)計方法與步驟1397.1.3 晶閘管的設(shè)計原則1397.2 晶閘管設(shè)計方法1407.2.1 設(shè)計思想1407.2.2 晶閘管設(shè)計的

8、主要因素1407.2.3 縱向結(jié)構(gòu)的設(shè)計1417.2.4 橫向結(jié)構(gòu)（門極陰極圖形）設(shè)計1447.3 晶閘管設(shè)計舉例1487.3.1 設(shè)計技術(shù)指標1487.3.2 設(shè)計思想1487.3.3 設(shè)計計算1487.3.4 驗算152第一章 電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展概況1956年可控硅整流器(英文縮寫scr，泛稱晶閘管)的發(fā)明并于次年由ge公司推出商品，是半導(dǎo)體應(yīng)用由弱電跨入強電的里程碑。其后平面工藝和外延技術(shù)的發(fā)明，又使半導(dǎo)體器件向兩大分支發(fā)展：一支以晶體管或其它半導(dǎo)體器件組成愈來愈小的集成電路，為適應(yīng)微型化發(fā)展，形成了以半導(dǎo)體集成電路為主體的新興學科一微電子學；另一分支則是以晶閘管為主體的功率(電力)半

9、導(dǎo)體分立器件，向愈來愈大的功率方向發(fā)展，為解決電力電子與控制技術(shù)形成了以靜態(tài)功率變換和電子控制為主要內(nèi)容的新興邊緣學科電力電子學。1.1 電力半導(dǎo)體器件與電力電子技術(shù)1973年，newell在第四屆硅電力電子學專家會議（pesc）上提出，電力電子學是介于電器工程三大領(lǐng)域：電力、電子與控制之間的邊緣學科，并用圖11的所謂“倒三角”定義來說明。這一定義已被國際上所公認。根據(jù)“倒三角”定義，電力電子學就是已晶閘管為主體的功率（電力）半導(dǎo)體器件為核心部件，跨于電力、電子和控制三大領(lǐng)域的一門邊緣學科。圖11 電力電子學“倒三角”定義作為邊緣學科的電力電子學，它所包含的內(nèi)容及其廣泛，既有半導(dǎo)體器件問題，也

10、有電路、控制、裝置即器件的應(yīng)用問題。盡管它們都有各自的理論裝置、系統(tǒng)和發(fā)展方向，但它們之間又是相互關(guān)聯(lián)的。電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，特別是新型器件的出現(xiàn)和采用，都會以自己的特長占有不同的應(yīng)用領(lǐng)域，使應(yīng)用面不斷拓寬和擴大；反過來，電力電子技術(shù)的發(fā)展對器件提出更高的要求，又會促進器件的性能的提高和新器件的發(fā)展。因為用什么器件的串、并聯(lián)技術(shù)，用什么樣的電路來實現(xiàn)裝置設(shè)備，反映了器件與線路之間的關(guān)系。新的器件能促進電路達到新的水平，而新的電路則可禰補器件性能之不足。為了使電路達到更完善的水平，還必須提高控制水平；這就要求采用新的控制方式和使用新的工具。但是，器件、電路及系統(tǒng)控制的最終目的是要完成一個實用的

11、電力電子裝置。由此可見，電力電子學把器件、裝置、控制系統(tǒng)緊密地聯(lián)系在一起，它們相輔相戍，形成一個具有內(nèi)在系統(tǒng)性的有機體。作為一門應(yīng)用科學，它廣泛應(yīng)用于科學研究，國民經(jīng)濟中的電力、交通、通訊、冶金、機械、化工、儀器儀表及國防工業(yè)等部門，并逐步推廣到家用電器等應(yīng)用領(lǐng)域。特別是電力電子技術(shù)作為節(jié)能最富有成效的技術(shù)之一，已成為發(fā)展快、生命力強的技術(shù)之一。電力電子技術(shù)作為國民經(jīng)濟各項高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)技術(shù)，為大幅度節(jié)能， 機電一體化，提高生產(chǎn)效能提供主要支撐技術(shù)，而電力電子技術(shù)的核心和基礎(chǔ)則是電力半導(dǎo)體器件。1.2 電力半導(dǎo)體器件的分類與發(fā)展電力電子技術(shù)發(fā)展的快慢，在很大程度上取決于電力電子器件的發(fā)展水平

12、。器件容量的擴大和結(jié)構(gòu)原理的更新，特別是新型器件的出現(xiàn)都是各種應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的要求和半導(dǎo)體器件理論、半導(dǎo)體材抖、半導(dǎo)體工藝發(fā)展的結(jié)果。近幾十年來，新技術(shù)、新工藝方面就出現(xiàn)了中子姬變摻雜，電子輻照、輻照的壽命控制技術(shù)；器件的cad技術(shù)；pn結(jié)表面造型及終端技術(shù)；器件的高可靠技術(shù)等；以及由微電子技術(shù)引入的精細加工技術(shù)，等等。電力半導(dǎo)體器件的基本理論，從電流模式發(fā)展到電荷控制模式；出現(xiàn)了短路陰極理論；表面理論；gto晶閘管從一維關(guān)斷理論發(fā)展為二維關(guān)斷模式，引入了陽極短路，隱埋門極等新結(jié)構(gòu)；gtr的達林頓結(jié)構(gòu)形式引伸到各種復(fù)合器件，并成為mos一雙極型復(fù)合器件的基本結(jié)構(gòu)形式；特別是微電子技求與電力器件制

13、造技術(shù)相結(jié)合所產(chǎn)生的集成功率器件，使得以往不被人們重視的電力半導(dǎo)體一躍而成為高科技發(fā)展之列。此外，器件的封裝已由壓焊發(fā)展到壓接式和全壓接結(jié)構(gòu)?？傊?，電力半導(dǎo)體已在材料、器件基本理論、設(shè)計原理、制造技術(shù)等諸方面形成了自己的體系和發(fā)展方向，成為半導(dǎo)體的一大獨立分支。下面簡要介紹各類器件的發(fā)展概況。1.2.1 雙極型電力半導(dǎo)體器件 50年代第一個晶閘管和雙極晶體管成為商品，標志著固態(tài)電力電子技術(shù)的開始。此后，雙極型半控器件(如:晶閘管、光控晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管等)和全控型器件(門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、靜電感應(yīng)晶閘管等)相繼出現(xiàn)，品類繁多，且其電壓、電流等額定值得到穩(wěn)定提高。特別是70年代ntd硅

14、單晶的試制成功，雙擴散工藝的成熟以及雙正角造型技術(shù)的使用，使器件的電壓、電流、頻率等額定值達到很高水平。圖1-1 (a)和(b)分別示出了普通晶閘管、光控晶閘管、快速晶閘管的目前水平及其發(fā)展趨勢。圖1-2 (a)和(b)分別示出了gto , sith的目前水平及其發(fā)展趨勢。雖然這些器件已在電力電子技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，但由于scr , ltt等半控器件存在著不能用門極控制其關(guān)斷，因而需要繁鎖、復(fù)雜的輔助關(guān)斷電路；又由于gto，gtr等全控器件存在著需要較大的控制電流，因而需要由分立器件組成的龐大門極控制電路等原因，使這些器件的發(fā)展和使用受到很大的影響。圖1-1普通晶閘管、光控晶閘管及快速晶閘

15、管的額定值(a)及其發(fā)展趨勢(b)圖1-2可關(guān)斷晶閘管、靜電感應(yīng)晶閘管的額定值(a)及其發(fā)展趨勢(b)目前相控晶閘管已廣泛用于直流電機調(diào)速，交流風機和水泵的變壓調(diào)速以及調(diào)光、調(diào)溫等領(lǐng)域。雖然相控方法在交流電網(wǎng)內(nèi)產(chǎn)生諧波和較差的功率因數(shù)，而且其使用正在逐步減少，但這是一種電網(wǎng)電壓控制和變換的經(jīng)濟而簡便的方法，特別是相控的固有特點是電網(wǎng)電流過零時關(guān)斷晶閘管，因此不會產(chǎn)生大的關(guān)斷損耗，它將被很好地使用到下一個世紀。 快速晶閘管具有短的關(guān)斷時間(一般在1050s)，這種器件常用于直流變交流的逆變電路內(nèi)，并用外部電路使其強迫關(guān)斷。隨著gto, gtr和igbt的出現(xiàn)，使快速晶閘管在很大一部分逆變電路內(nèi)失

16、去了應(yīng)用。目前它主要用于感應(yīng)加熱。高q因子的感應(yīng)加熱線圈需要一個補償電容器來消除電源與負載之間的環(huán)流無功功率，因此感應(yīng)加熱逆變器需要做成高q的諧振負載，這就需要簡單自然換向的快速晶閘管，而高壓領(lǐng)域gto還將占有一席之地。 靜電感應(yīng)晶閘管(sith)與gto相似是一種“擎住”開關(guān)，與gto不同之處它是一種非對稱阻斷的常通型器件，實質(zhì)上是一個場控二極管，可在門極上加負偏壓來阻斷sith。在硬開關(guān)應(yīng)用中，只需將門極電壓從負變?yōu)檎纯墒箂ith開通。開通時所需驅(qū)動電流相對較低，但關(guān)斷時所需驅(qū)動電流很大，其關(guān)斷電流增益只有13，通態(tài)電壓降亦比gto大。由于sith在開通和關(guān)斷時是在整個硅片面積內(nèi)均勻進行

17、，因此它的di/dt承受能力很高，而再加上dvdt能力至少要比gto器件高一個數(shù)量極，這此特性大丈降低或消除了因di/dt和dvdt所需的吸收電路。sith的關(guān)斷拖尾時間與gto相當，但它的頻率要比gto高得多。目前sith器件已用于高頻感應(yīng)加熱裝置。制造sith的難點在于其制造工藝方法很難控制，工藝方法的微小變化就可使最終產(chǎn)品的性能發(fā)生重大變化，目前正在開發(fā)常閉型sith。 gtr是非擎住器件或“線性”器件，是一種電流控制的雙極雙結(jié)電力半導(dǎo)體器件。由于它的電流增益差，因此七十年代出現(xiàn)了絕緣型gtr達林頓模塊，以滿足大功率逆變器的應(yīng)用。圖1-3示出gtr的額定值和發(fā)展趨勢。一般達林頓gtr模塊

18、的飽和電壓降為1. 53v,圖1-3電力晶體管的額定值(a)及其發(fā)展趨勢(b)存儲時間和電流下降時間的典型值分別為15s。和3s。gtr模塊已廣泛用于電機控制的pwm逆變器、不間斷電源以及開關(guān)電源內(nèi)。由于gtr存在著固有的二次擊穿，且其安全工作區(qū)受各項參數(shù)影響而變化和熱容量小、過流能力低等問題，目前在開關(guān)電源內(nèi)已逐步被mosfet以及在電機調(diào)速和ups內(nèi)正逐步被igbt所替代。無疑gtr在今后幾年內(nèi)將繼續(xù)存在于現(xiàn)有的設(shè)計電路內(nèi)，但最新設(shè)計的電路將采用igbt。 1.2.2 mos結(jié)構(gòu)電力半導(dǎo)體器件由于gtr, gto和sith等雙極型全控器件必須要有較大的控制電流，因而門極控制電路非常龐大，使

19、系統(tǒng)的體積和重量增大并使效率降低，從而促進了新一代具有高輸入阻抗的mos結(jié)構(gòu)電力半導(dǎo)體器件的開發(fā)。而這些現(xiàn)代電力半導(dǎo)體器件的制造工藝是借助于原先cmos集成電路的mos工藝，并充分結(jié)合電力電子技術(shù)而制成的。下面將分別簡要介紹功率mosfet, igbt和mct。圖1-4 (a)示出了功率mosfet的目前水平，圖1-4 (b)示出了mosfet. igbt和mct的發(fā)展趨勢及相應(yīng)的簡略結(jié)構(gòu)圖。圖1-4功率mosfet, igbt的傾定值(a)和功率mosfet, igbt, mct的發(fā)展趨勢(b)圖1-5功率mosfet, igbt和mct的簡略結(jié)構(gòu)示意圖(a)功率mosfet (b) igb

20、t (c) mct功率mosfet是一種電壓型高頻多數(shù)載流子器件，與gtr不同的是功率mosfet的柵極是電絕緣的，是電壓驅(qū)動器件，基本上不要求穩(wěn)定的驅(qū)動電流，驅(qū)動電路只需要在器件開通時提供容性充電電流，而關(guān)斷時提供放電電流即可，因此驅(qū)動很簡單。為了獲得高輸入阻抗的高電壓器件，1980年研制出igbt器件，它是功率mosfet工藝技術(shù)基礎(chǔ)上的產(chǎn)物。比較圖1-5功率mosfet與igbt的結(jié)構(gòu)圖可以看出，二者除igbt p+替代mosfet n+外，幾乎完全一樣，這使igbt器件的制造在功率mosfet器件制造的基礎(chǔ)上能很快商業(yè)化，但是它們的工作原理完全不同。因igbt的集電極和發(fā)射極之間有一個

21、寄生晶閘管，該晶閘管的擎住可使igbt失去控制并損壞，這是學者們長期研究給以解決的問題。igbt兼有mosfet高輸入阻抗、高速特性和gtr大電流密度特性的混合器件。與功率mosfet一樣，它的柵極是絕緣的，驅(qū)動功率很小。igbt在600 1800v范圍內(nèi)的通態(tài)電壓降與gtr相似，約為1. 53v，這要比類似額定電壓的功率mosfet的通態(tài)電壓降小得多。igbt的開關(guān)速度要比功率mosfet的速度低，但要比gtr快，igbt的關(guān)斷存儲時間和電流下降時間分別為0. 2 0. 4s和0.21. 5s。igbt較高的工作頻率，寬而穩(wěn)定的開關(guān)安全工作區(qū)，較高的效率以及簡單的驅(qū)動電路，使igbt在600

22、v以上的開關(guān)電源、交流電機控制用的pwm逆變器和ups內(nèi)成功地逐步替代gtr，而且這種趨勢還將繼續(xù)下去。igbt具有正、反向阻斷能力，正向電壓是由p基區(qū)/n-漂移區(qū)結(jié)的反偏承受，而反向電壓是由p+基片/n-漂移區(qū)結(jié)的反偏承受，但是商用igbt器件由于n-漂移區(qū)和p+基片之間存在n緩沖層，所以只有正向阻斷能力。這種穿通結(jié)構(gòu)使器件在直流電路應(yīng)用中具有良好的導(dǎo)通電壓降和安全工作區(qū)特性。將來igbt需要用于交流電路時，就需研究對稱阻斷結(jié)構(gòu)的igbt器件。目前已研制出帶電流檢測端的igbt和智能igbt模塊，這種智能igbt模塊具有集成的驅(qū)動電路和保護電路，幾百安、1200v的半橋和三相橋智能igbt模

23、塊已有商品。提高igbt的電壓額定值，研究具有較高頻率和較低損耗的igbt以及開展具有集成保護功能的智能igbt是今后的發(fā)展方向。為了提高igbt器件的電壓，目前已用槽溝(trench )技術(shù)替代平面(planar)技術(shù)，已研制出4500v ,通態(tài)電壓降2. 6v，電流密度達到100a/cm的igbt器件，并用雙柵極結(jié)構(gòu)來解決器件的通態(tài)電壓降與開關(guān)頻率之間的矛盾。mos控制晶閘管(mct)是一種在它的單胞內(nèi)集成了mosfet的晶閘管，利用mos門來控制晶閘管的開通和關(guān)斷。它是一種擎住器件，具有晶閘管的低通態(tài)壓降，但其工作電流密度遠高于igbt和gtr。mct的單胞結(jié)構(gòu)保證了集成的mosfet處

24、于完全控制mct芯片的全面積導(dǎo)通和關(guān)斷，因此mct的導(dǎo)通di/dt和阻斷dv/dt能力非常高，可分別達到2000a/s和20000v/s，而其工作結(jié)溫可達150200。與任何mos門控器件一樣，mct驅(qū)動電路功率要求也很小。與其它晶閘管一樣， mct在理論上可以制成千伏的阻斷電壓和幾千赫的開關(guān)頻率，且其關(guān)斷增益極高，目前已研制出3000v的高壓mct，并有很低的通態(tài)電壓。由于晶閘管的再生作用，使之用mos柵來關(guān)斷晶閘管電流就非常困難，現(xiàn)在已有幾種辦法來解決此問題，其中較為先進的是mct (mos controlled thyristor)、brt (base resistance contro

25、lled thyristor)、est (emitter switched thyristor)結(jié)構(gòu)。mct和brt結(jié)構(gòu)都具有良好的通態(tài)電壓降，在關(guān)斷時間為0. 3s時，約為1. 1v左右。但是它們共同缺點是不呈現(xiàn)正偏安全工作區(qū)，當用于傳動裝置時就需要吸收電路來保護器件。而且mct結(jié)構(gòu)需采用3次擴散形成結(jié)的辦法才能制成器件，從而使制造工藝更復(fù)雜。est結(jié)構(gòu)是利用晶閘管電流強迫流過mosfet溝道以達到mos柵的控制目的，這不僅提供mos柵控制關(guān)斷能力，而且允許電流在晶閘管的基本結(jié)構(gòu)內(nèi)飽和。它的正偏安全工作區(qū)與igbt器件的差不多，但它的通態(tài)電壓降要比mct和brt結(jié)構(gòu)的高，在關(guān)斷時間為0. 3

26、us時，約為1. 5v。由于est結(jié)構(gòu)具有良好的正偏安全工作區(qū)特性，所以它將是制造mos晶閘管的較好結(jié)構(gòu)。目前75a, 1kv的mct已應(yīng)用于串聯(lián)諧振變流器?，F(xiàn)有10多家外國公司竟相開展mct, brt和est結(jié)構(gòu)的研究，以改進其器件的電氣性能。專家們預(yù)測，一旦mct的性能和價格達到商用程度，就有可能替代高壓gto，并與igbt在中功率領(lǐng)域形成有限的競爭，而mct最終有可能取勝。1.2.3電力整流管隨著高性能、高頻開關(guān)器件和igbt、mct的發(fā)展，開發(fā)高性能、高頻電力整流管已成為一個非常重要和迫切的任務(wù)。眾所周知，電力整流管是電力半導(dǎo)體器件中結(jié)構(gòu)最簡單、用途最廣泛的一種器件。圖1-6(a)和(

27、b)分別為目前常用的幾種電力整流管的水平及其發(fā)展趨勢，圖1-6普通、快恢復(fù)和肖特基整流管的額定值(a)及其發(fā)展趨勢(b)它們相互比較各有其特點：普通整流管具有較小的樓電流，較高的通態(tài)電壓降（1.0-1.8）和幾十微秒的反向恢復(fù)時間；肖特基整流管具有較低的通態(tài)壓降（0.30.6），較大的的樓電流，反向恢復(fù)時間幾乎為零；而pin快恢復(fù)整流管具有較快的反向恢復(fù)時間（幾百ns2s），但其通態(tài)壓降很高（1.64.0）。為了滿足快速開關(guān)器件應(yīng)用配套需要，人們利用大規(guī)模集成電路工藝和精細的鑲嵌結(jié)構(gòu)，機肖特基整流管和pin整流管的優(yōu)點于一體，已研制出mps(merged pin/schottky diode)

28、結(jié)構(gòu)的電力整流管，如圖1.7所示。它不僅具有較高的反圖1-7左為pin整流管，右為mps整流管的結(jié)構(gòu)示意圖向阻斷電壓，而且其通態(tài)壓降很低，反向恢復(fù)時間很短，反向恢復(fù)峰值電流很小，而且具有軟的反向恢復(fù)特性。mps結(jié)構(gòu)的電力整流管的通態(tài)壓降約為1v，反向恢復(fù)時間是pin整流管的1/2，反向恢復(fù)峰值電流是pin整流管的1/3。若以mps整流管代替pin整流管與igbt配合使用，可使系統(tǒng)的總功耗降低1/2，大大改善了系統(tǒng)的性能。1.2.4功率集成電路（pic）功率集成電路是近幾年發(fā)展很快的一種“器件”，它是微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其功能是使功率與信息合一，成為機、電的重要接口。由于裝置采

29、用pic，可使裝置內(nèi)電源部分的體積縮小、重量減輕、寄生的l和c減小、性能改進、可靠性提高、從而使裝置的成本降低。目前，對pic還沒有一個嚴格和確切的定義，一般其電壓大于幾十伏，或電流大于幾百毫安或功率大于1w就稱為pic。pic分為兩類：高壓集成電路（hvic）和智能集成電路（spic）,前者用橫向高壓器件（承受高壓的兩個電機都從芯片的同一表面引出）與起控制作用的傳統(tǒng)邏輯電路或模擬電路繼承，后者是縱向功率器件（管芯背面作主電極，通常是集電極或漏極）與邏輯或模擬控制電路、傳感器以及保護電路等單片繼承。圖1-8示出了pic的電流、電壓范圍及其應(yīng)用領(lǐng)域。隨著制造pic工藝的成熟，圖1-8 pic電壓

30、、電流范圍及應(yīng)用領(lǐng)域同一芯片上制造不同元件精度的提高，pic將獲得重大發(fā)展，成為未來的重要電力半導(dǎo)體器件。1.3新型半導(dǎo)體材料在電力半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用隨著高頻電力電子技術(shù)的發(fā)展，要求電力半導(dǎo)體器件具有高的開關(guān)速度、低的通態(tài)損耗、高的輸入阻抗、高的工作溫度、優(yōu)良的熱穩(wěn)定性以及良好的防輻射能力。利用傳統(tǒng)的硅單晶材料已不能很好地滿足上述要求，因此具有較大禁帶寬度、較高載流子遷移率和良好電熱傳導(dǎo)性的碳化硅、砷化鎵和金剛石薄片得到很好的開發(fā)。由于sic的制造工藝要比金剛石成熟，它的性能又比gaas高一個數(shù)量級，因此制造sic電力半導(dǎo)體器件最有前途，也較現(xiàn)實。目前已研制出25mm的sic基片，實現(xiàn)了sic

31、襯底低缺陷的外延工藝，而且氧化、參雜、半導(dǎo)體金屬接觸腐蝕等工藝方法逐步成熟。已制造出600v sic fet器件，600v sic肖特基勢壘二極管，前者的正向壓降為0.1v，電流密度為100a/cm2，關(guān)斷時間0.01s，后者的正向壓降為1v，電流密度100a/cm2,反向恢復(fù)時間0.01s，反向恢復(fù)峰值電流幾乎為0。它們的功耗隨頻率的增加而增加，50khz內(nèi)變化很小。目前各國都加強了對這種新型半導(dǎo)體材料制作的研究，由于這些新型半導(dǎo)體材料在制作上還存在著相當難度，因此預(yù)計近期內(nèi)還不可能普遍用于電力半導(dǎo)體器件的制造中。但是這種趨勢必須引起電力電子工程師們的充分注意和重視，積極開展這方面的開發(fā)和研

32、究工作。綜合上述各種電力半導(dǎo)體器件的特性、優(yōu)缺點及其發(fā)展趨勢，可以認為igbt、mct以及mps結(jié)構(gòu)的電力整流管是今后最有發(fā)展前景的器件。進一步提高igbt和mct的額定電壓、電流和工作頻率，改善mps的軟反向恢復(fù)特性以及降低igbt的通態(tài)壓降，研制智能igbt模塊，開發(fā)低電壓（23v）電源用的并具有低通態(tài)壓降和低壓電力整流管將是今后研制工作重點之一。功率mosfet在高頻、的電壓、小功率領(lǐng)域近期內(nèi)尚無競爭對手，它繼續(xù)是一種具有生命力的器件，特別是各種智能功率mosfet的開發(fā)成功，更使它的用量增大。隨著高頻電力電子技術(shù)的發(fā)展，用碳化硅制成的電力電子開關(guān)器件和電力整流管，在降低功耗、提高工作頻

33、率中將發(fā)揮巨大的作用，因此更進一步開發(fā)各種碳化硅電力電子開關(guān)器件亦是今后研究工作的重點。gto器件在采用了各種新工藝、新技術(shù)和新的結(jié)構(gòu)后，可制成只需的吸收電路的高壓gto,以滿足1500v以上直流電壓和線電壓的要求，因此gto器件在大功率、超高壓領(lǐng)域，特別在牽引領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)發(fā)揮的作用。gtr器件器件的前景較為暗淡，低壓（600v）以下的應(yīng)用將逐步被功率mosfet替代，而600v以上的應(yīng)用將逐步由igbt代替。大功率晶閘管用量今后將逐年減少，但超高壓（8000v）、大電流(3000a)的晶閘管將繼續(xù)在hvdc和靜止無功補償裝置上使用。第二章 電力整流管大多數(shù)二極管就是只飽含個pn結(jié)的兩端器件，稱

34、為pn結(jié)二報管。pn結(jié)可以完成不同的功能。本章分析pn結(jié)作為整流器的特性。所調(diào)整流器，是指一種大面積的功率器件，常稱為功率整流器或功率二極管。典型的功率整流管為pin結(jié)構(gòu)。本章將分析功率整流二極管的正向特性、反向特性、開關(guān)特性，并介紹pn結(jié)終端技術(shù)及表面保護。2.1 電力整流二極管的基本結(jié)構(gòu)和類型2.1.1功率二極管的基本結(jié)構(gòu)實際的二極管，一般就是一個pn結(jié)加上電極引線和外殼封裝而成的，稱為pn結(jié)二極管。根據(jù)pn結(jié)的不同摻雜情況和幾何結(jié)構(gòu)而具有不同特性，可以制成不同用途的二極管。例如利用pn結(jié)整流特性制成的整流二極管；利用擊穿特性別成的穩(wěn)壓二極管；利用隧道效應(yīng)制成的隧道二極管；利用pn結(jié)電容效

35、應(yīng)制成的變?nèi)荻O管和將pn結(jié)作為光源的電致發(fā)光二極管，等等。所有這些，其核心都是pn結(jié)。對于以pn結(jié)為核心的整流二極管，通常定義通過電流大于1a的二極管為功率二極管或功率整梳管。根據(jù)器件容量的不同，功率整流管的管芯結(jié)構(gòu)有如下幾種： (1) p+n結(jié)構(gòu)(圖2-1a)(2) pnn結(jié)構(gòu)，中間區(qū)域為低摻雜，兩邊為高摻雜的p+和n區(qū)，如圖2-1(b)所示。(3) ppnn結(jié)構(gòu)，如圖2-1(c)所示。 (a) (b) (c)圖21功率二極管的管芯結(jié)構(gòu)示意圖以上三種結(jié)構(gòu)中，p+n結(jié)構(gòu)只是理論上的一種結(jié)構(gòu)，不適于制作功率整流管。后兩種是制作功率整流管的兩種基本結(jié)構(gòu)。2.1.2 功率整流管的基本類型報據(jù)器件制

36、造和應(yīng)用的不同特點，功率整流管可以分為五大類1. 硅整流管硅功率整流管一般在普通整流管。當電流大于1a時，稱為功率二極管或功率整流管。器件的電流容量可在11000a以上，電壓從幾十伏到數(shù)千伏，工作結(jié)溫可達140。這種器件只適合于頻率較低（400hz以下）的電網(wǎng)換相變流器中使用。目前器件最高水平可達2. 快速二極管快速二極管是一種反向恢復(fù)時間短，恢復(fù)電荷量較少，可以在400hz以上頻率下工作的整流管。通常也稱為快恢復(fù)二極管。在快速型二極管中，除普通的（p-n結(jié)）快恢復(fù)二極管外，還包括功率肖特基勢壘二極管。這種二極管的整流作用是由金屬與硅間形成的接觸勢壘來實現(xiàn)的。它是一種多子器件，正向壓降小，工作

37、頻率高，工作溫度可高達150170，而且熱穩(wěn)定性好，但反向電壓較低。3. 高溫整流管這種器件的特點是工作結(jié)溫可高達175以上，電流也可達到幾十安培，電壓在幾百范圍。4. 高壓整流堆這是一種能顯示整流特性，二反向能承受數(shù)萬伏以上的半導(dǎo)體整流堆。它是將整流元件串接封裝在一起而成的。因采用硅二極管串接，常稱為高壓硅堆。5. 雪崩二極管 這是一種具有雪崩擊穿特性，并能在規(guī)定時間內(nèi)承受一定反向浪涌功率二極管。這種器件的穩(wěn)壓特性可以限制過電壓幅值，流過浪涌電流一消耗過電壓的能量，故可作抑制過電壓元件。器件的電流在5001000a，電壓在10002000v范圍。根據(jù)器件容量的不同，功率二極管的管芯結(jié)構(gòu)主要采

38、用p+nn+結(jié)構(gòu)和p+pnn+結(jié)構(gòu)。對于p+nn+結(jié)構(gòu)，中間層為輕摻雜區(qū)(常稱為基區(qū))，當摻雜濃度很低時，可近似看作本征半導(dǎo)體，p+nn+結(jié)構(gòu)便可近似為pin結(jié)構(gòu)。此種結(jié)構(gòu)能承受高的反問電壓，且具有良好的正向特性。高壓功率二極管一般都采用此種結(jié)構(gòu)。 對于p+pnn+結(jié)構(gòu)，不僅能提高注入，增強電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使器件具有較理想的正向特性；同時在反向又能耐高電壓，所以這是種較理想的大電流向電壓整流管結(jié)構(gòu)。 利用pn結(jié)的整流特性，可以把反復(fù)變換方向的交流電變成單方向流動的電流，所以在許多電子儀器設(shè)備和電力電子裝置中都大量使用各種類型的功率二極管。在實際工作中，通常利用示波器來直接顯示二極管的伏女特性。一

39、個性能優(yōu)良的功率二極管，應(yīng)該是正向電流盡量大，特性曲線盡量靠近縱坐標，使正向壓降為最??；反向特性應(yīng)是漏電流要小，反向擊穿電壓向，而且特性曲線直，具有所謂的硬特性。后面將困繞這些要求進行討論。2.2 pn結(jié)二極管盡管功率二極管的結(jié)構(gòu)有所不同，但整流特性仍然主要由p-n結(jié)特性所確定。為此，本節(jié)扼要闡述p-n結(jié)的整流特性，作為分析p-n結(jié)器件的基礎(chǔ)。2.2.1整流方程1. 小注入下的整流方程對于p+-n突變結(jié)，當n區(qū)處于小注入狀態(tài)時，按照連續(xù)原理，可得p-n結(jié)的電流電壓方程為 (2-1) 當外加電壓為正向電壓vf時，且vfkt/q時，(2-1)式可以寫為 (2-2)當外加電壓為反向電壓vr時，且時，

40、(2-1)式變?yōu)?(2-3)(2-1)式為p-n結(jié)的反向電流，又稱為反向擴散電流，流過p-n結(jié)的反向電流不僅有反向擴散電流，還存在p-n結(jié)產(chǎn)生電流，產(chǎn)生電流可以表示為 (2-4)因此p-n結(jié)的反向電流為 (2-5) 2. 大注入下的伏安特性對于p+-n結(jié)，當正向電壓增高，注入增大后，注入到n區(qū)的非平衡載流子等于甚至大于該區(qū)的平衡載流子濃度，達到大注入水平。對于功率二極管（包括其它電力器件）在穩(wěn)定工作條件子下，其電流密度可以達到30100a/cm2，甚至更高。在這樣高的正向電流密度下，對反向耐壓較高的器件（n區(qū)的摻雜濃度較低）來說，完全處于大注入狀態(tài)下工作。大注入下，載流子之間的散射變得顯著，并

41、導(dǎo)致遷移率下降。遷移率和擴散系數(shù)隨載流子濃度增加而下降，使得在大注入時功率二極管、晶閘管的正向壓降增大。大注入條件下的自建電場，將使p-n結(jié)的伏安特性發(fā)生變化，其表達式為 (2-6)大注入不但使擴散系數(shù)加倍，而且使電流隨電壓的上升變慢，由小注入的關(guān)系變?yōu)殛P(guān)系。2.3 pin二極管pin二極管是由p型和n型材料之間夾一本征層而構(gòu)成的結(jié)型二極管。在低頻時，它具有與pn結(jié)相似的伏安特性，不僅能承受很高的反向電壓，而且具有小的正向電壓降。理想的pin二極管i層材料應(yīng)是本征型的，但是很難做到。實際的i層可近似認為低摻雜的高阻層。因此，功率二極管都做成重摻雜的p+、n+層之間夾一層較厚的低摻雜的p型或n型

42、層而構(gòu)成：p+-n-n+或p+-p-n+結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在分析晶閘管正向壓降的模型，所以本節(jié)著重分析pin二極管的正向壓降。2.3.1 pin二極管的一般理論所謂pin二極管是由重摻雜的p型區(qū)和n型區(qū)之間夾一接近本征型的高電阻率i層構(gòu)成，其一般結(jié)構(gòu)，其一般結(jié)構(gòu)如圖22所示。i層厚度由反向耐壓和正向電流決定。在熱平衡時的能帶圖、載流子分布、空間電荷及電場分布22所示。圖22 pin二極管 的結(jié)構(gòu)、能帶、載流子分布空間電荷機電場分布與p-n結(jié)類似，在pi結(jié)和ni結(jié)也會形成空間電荷區(qū)。因此i層可分為三個區(qū)域：（1）x2到x3之間的正電荷區(qū)；（2）x3到x4的中性區(qū)；（3）x4到x5之間的負電荷區(qū)。中性

43、i區(qū)相當一個長為（x4-x3）的電阻。因而pin二極管好似一個pi二極管和一個電阻及一個ni二極管三者的串聯(lián)組合。pin二極管的正向壓降可視為三步分組成：pi結(jié)和ni結(jié)的結(jié)壓降以及i區(qū)的體壓降。設(shè)外加正向壓降為vf則 (2-7)下面首先對體壓降作簡化的分析，然后再做精確的分析討論。如圖22所示的pin二極管中，如果假定兩個端部的注入效率為1，即認為在兩個端部（p+區(qū)和n+）不存在少數(shù)載流子流的流動，那么正向電流只是由空穴和電子在基區(qū)的復(fù)合而引起的。根據(jù)空穴和電子在i區(qū)復(fù)合的速率便可計算正向電流，因為 （28）式中，基區(qū)寬度wi=2d，u為大電流下給出的復(fù)合率u(x)=n(x)/a。假定注入空穴

44、的平均濃度（）和注入電子的平均濃度（）相等，且遠大于本征的載流子濃度ni。將式（28）積分得到 （29）式中，a為雙極壽命。如果進一步假定整個i區(qū)的載流子濃度是均勻分布的，那么可以忽略載流子的擴散作用，于是由平均電場e引起的電流密度便可以寫成 (2-10)因為跨越在i區(qū)兩端的電壓降可以表示為vm=2de，聯(lián)立（29）和（210）得到 （211）盡管這是一個簡化的表達式，但它指出了pin二極管正向壓降與雙極壽命成反比，而正比于基區(qū)寬度的平方的重要結(jié)論，反映出實際器件壓降的一般趨勢。2.3.2 pin二極管的正向特性下面敘述比較完整的pin二極管理論。圖23示出了這種器件的結(jié)構(gòu)，i區(qū)的寬度取為2d

45、，假定pi結(jié)、ni結(jié)的注入效率為1.1. 基區(qū)體壓降大注入或中注入下，pin二極管伏安特性方程的推導(dǎo)很繁雜，公式及其陳長。它的基本思路是首先找出各區(qū)載流子所遵從的運動方程，根據(jù)邊界條件求解電子、空穴濃度的分布；然后再由電流密度方程求得電場強度和電流密度j；然后對e積分得到正向體壓降vm。為了求得i區(qū)內(nèi)載流子濃度的分布，必須求解連續(xù)性方程。因i區(qū)工作在大注入狀態(tài)，該區(qū)內(nèi)穩(wěn)態(tài)雙極連續(xù)性方程可表示為 （212）圖23 pin二極管正向?qū)〞r的載流子及電位分布式中da為雙極擴散系數(shù)，因此雙極擴散長度為la=（daa）1/2，于是上式變?yōu)?（213）此式為雙極擴散方程，其一般解為 （214）常數(shù)a1、a

46、2邊界條件確定。按照兩邊結(jié)注入效率為1的假定，邊界條件為 （215）另一方面，在x=+d處的電子電流密度為 （216）其中電場由載流子濃度確定 （217）將式（217）代入（216）中得 （218）類似地分析可得 (2-19)上述推導(dǎo)利用了電中性條件n(x)=p(x)。將邊界條件式（218）和（219）代入（214），并考慮到dn(x)/dx=dp(x)/dx及jf=jp(-d)=jn(+d)，即可求出常數(shù)a1和a2得表達式。然后再代入（214）中，便可解出i區(qū)得電子濃度分布（空穴具有相同得分布） （220）式中，（b=n/p） （221）根據(jù)假設(shè)，正向電流jf是由i區(qū)空穴和電子復(fù)合而引起的，

47、故。由式（220）確定i區(qū)中載流子分布，如圖23所示?？昭ê碗娮訚舛仍賞i（-d）結(jié)及ni（+d）結(jié)處最高，由于空穴和電子的遷移率不同，（np，故b=1/2）,其濃度最低點偏向陰極側(cè)。若假定np，b=0，載流子分布是對稱的，其最低點再中央處。隨著離開結(jié)的據(jù)距離的增加，載流子的濃度的下降取決于雙極擴散長度la，而擴散長度是由大注入壽命a所控制。為了確定i區(qū)的電壓降vm，首先必須知道電場的分布。在i區(qū)中，電流與電場的關(guān)系由下列關(guān)系式確定， （222）及 （223）和 （224）聯(lián)立以上三式并考慮到n(x)=p(x)得到 （225） 在（225）中，右邊第一項為歐姆電壓降產(chǎn)生的電場分量，第二項是電子

48、和空穴遷移率不等產(chǎn)生的濃度分布不對稱形成的電場分量。采用（220）的濃度分布，將（225）在i區(qū)內(nèi)積分得到該區(qū)體壓降vm，即 （226） 該方程的曲線如圖24所示?？梢钥闯觯瑲W姆電壓降隨d/la的增加而迅速增大。當圖24 vm與d/la的關(guān)系dla時，即la比i區(qū)的半寬度大時，稱為“短”結(jié)構(gòu)pin二極管。載流子濃度在i區(qū)上的空間變化（損失較小）對壓降影響可以忽略。對于硅，b=n/p=3，式（226）可簡化為 （227）對于d3la的情況，則與上述相反，稱為“長”結(jié)構(gòu)二極管，此時式（226）可簡化為 （228）遷移率相等時，b=1和b0，（226）變?yōu)?（229）此種情況下，對于“短”結(jié)構(gòu)二極管

49、（dla），上式又可簡化為 （230）由(226)及其各種簡化表達式可知，i區(qū)體壓降vm與通過的電流無關(guān)。這是因為電流時由平均載流子所運載，它與電流密度成正比。隨著正向電流密度的增加，i區(qū)的電導(dǎo)率亦成比例地增加，從而使該區(qū)的電壓降保持常值。i區(qū)中的這種電導(dǎo)調(diào)制作用，使得pin二極管中間的電阻率盡管很高，以承受很高的反向電壓，但在正向仍能流過大的電流，并具有較低的正向壓降。正因為如此，pin二極管是一種高壓大功率器件。1. pin二極管的正向壓降由圖23可知，在不考慮接觸壓降時，pin二極管的正向壓降除了基區(qū)體壓降vm之外，還包括陽極結(jié)（pi）和陰極結(jié)（in）的結(jié)壓降，這兩者可以根據(jù)結(jié)電壓與注入

50、少數(shù)載流子濃度的關(guān)系求出。因為 (2-31) (2-32)式中nd為i（n）區(qū)的摻雜濃度，聯(lián)立式（231）和（232），以及大注入條件下，p(-d)=n(-d)，得到 （233）由（27）式得到二極管的正向壓降 (2-34)利用式（220）求出載流子濃度n(-d)、n(+d)，代入上式即可得到正向壓降 (2-35)式中體壓降vm由（226）式求得。若將（235）式進行一些變化，即可得到二極管正向電流jf的表達式： (2-36)式中 （237） 由式（236）看到，pin二極管的正向電流jf與大注入p+n結(jié)的正向電流的表達式類似，只是增加了與結(jié)構(gòu)因子d/la有關(guān)的系數(shù)函數(shù)f(d/la)。二函數(shù)f

51、(d/la)與電流沒有直接關(guān)系，它與d/la間的函數(shù)關(guān)系如圖25所示。由圖25可知，函數(shù)f(d/la)在d/la1時顯示圖25 函數(shù)f(d/la)對d/la的依賴關(guān)系出極大值，表明在此點上的正向壓降達到了最小值。實驗表明，二極管的正向壓降隨著壽命的增加二迅速減小，直到d/la1為止。而對于更長的壽命，正向壓降繼續(xù)下降得很少，或者保持不變。因為，假定沒有端區(qū)的復(fù)合作用，由于載流子在兩端pn結(jié)邊緣處的聚集而引起結(jié)壓降增大，最終能迫使由于壽命增長而引起的基區(qū)體壓降下降。然而由于端區(qū)的復(fù)合作用，載流子的聚集作用被抑制，因而壓降隨著壽命的增長會繼續(xù)下降。另一方面載流子之間的散射，餓歇復(fù)合及注入效率的變化

52、，又直接影響對i區(qū)注入載流子的電導(dǎo)調(diào)制作用，使正向壓降增加。因此，當壽命增大到某個值以上再進一步增大時，它對電壓降只有很小的影響了。而這個壽命的準確值是基區(qū)和端區(qū)性質(zhì)的函數(shù)。2. pin二極管正向壓降的討論載流子載流子之間散射，俄歇復(fù)合以及注入效率都會影響二極管的正向壓降，下面進行扼要分析。1) 載流子之間散射對壓降的影響器件工作再大注入狀態(tài)時，基區(qū)充塞著大量的電子和空穴，當載流子濃度為1017cm-2以上時，壓降就變得與載流子濃度有很大依賴關(guān)系，這種依賴關(guān)系是由于載流子間的散射引起的強相互作用而造成的。同類電荷粒子之間的散射對電導(dǎo)率的凈影響不大，可以忽略。不同電荷類型載流子之間的散射，會導(dǎo)致遷移率下降，意味著電阻率增加，壓降增大；另一方面，擴散系數(shù)也隨之下降，在壽命不變的情況下（），相應(yīng)地（d/la）增大，從而造成體壓降vm隨之增加。高電流密度時，考慮散射作用的vf約為不考慮散射作用時值的25倍，這就大大地降低了器件承受正向浪涌電流的能力。2) 俄歇復(fù)合效應(yīng)在很高的電流密度下，少子壽命主要由俄歇復(fù)合壽命所支配，這時，有效壽命可表示為 (2-38)式中，a=po+no ，a=3n3。實驗已證實，當注入載流子濃度超過1017cm