微電子器件應(yīng)用

1、微電子器件應(yīng)用微電子器件應(yīng)用晶閘管晶閘管 ？0pppnxn0nnnpxpponnopnxpxxP區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū) ？kTqVnxnpoppexpkTqVpxpnonnexpponnopnxpxxP區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū) 雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號：雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號：NNNPPPEEEEBBBBCCCCPNP 管：管：NPN管：管： 根據(jù)兩個結(jié)上電壓的正負(fù)，晶體管可有根據(jù)兩個結(jié)上電壓的正負(fù)，晶體管可有 4 種工作狀態(tài)：種工作狀態(tài)：E 結(jié)結(jié) 工作狀態(tài)工作狀態(tài) 狀態(tài)，工作在（狀態(tài)，工作在（ ）電路）電路 狀態(tài)，工作在（狀態(tài)，工作在（ ）電路）電路 狀態(tài)，工作在（狀態(tài)，工作在（ ）電路）電路倒

2、向放大狀態(tài)倒向放大狀態(tài)C 結(jié)結(jié) CBBCEBBEVVVVVV,BCCBBEEBVVVVVV, 晶體管在晶體管在 4 種工作狀態(tài)下的少子分布圖：種工作狀態(tài)下的少子分布圖：（ ）狀態(tài)）狀態(tài)（ ） 狀態(tài)狀態(tài)（ ） 狀態(tài)狀態(tài)（ ） 狀態(tài)狀態(tài) NPN 晶體管在晶體管在 4 種工作狀態(tài)下的能帶圖：種工作狀態(tài)下的能帶圖：（ ）狀態(tài)）狀態(tài)（ ）狀態(tài)）狀態(tài)（ ）狀態(tài)）狀態(tài)（ ）狀態(tài)）狀態(tài) 1. 常用開關(guān)器件及分類(1)(1)器件及分類器件及分類 (2)(2)型號命名法型號命名法 (3)(3)器件額定值器件額定值2. pnpn器件導(dǎo)通物理過程 (1)(1)晶閘管結(jié)構(gòu)及等效電路晶閘管結(jié)構(gòu)及等效電路 (2)(2)導(dǎo)通

3、物理過程導(dǎo)通物理過程 (3)(3)導(dǎo)通機(jī)制導(dǎo)通機(jī)制內(nèi)內(nèi) 容容 提提 要要1. 常用開關(guān)器件及分類常用開關(guān)器件及分類按照器件被控程度，分為以下三類：按照器件被控程度，分為以下三類：l 不可控器件不可控器件( Power Diode ) 不需用控制信號來控制其通斷。l 半控型器件半控型器件( 相控相控Thyristor等等 ) 通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。l 全控型器件全控型器件( IGBT,MOSFET 等等) 通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。器件及分類器件及分類 按照驅(qū)動電路信號的性質(zhì)，分為兩類：按照驅(qū)動電路信號的性質(zhì)，分為兩類：l 電流驅(qū)動型電流驅(qū)動

4、型( 雙極型器件雙極型器件 ) 通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者 關(guān)斷的器件。l 電壓驅(qū)動型電壓驅(qū)動型( MOS柵器件柵器件 ) 僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的器件。常用開關(guān)器件及分類常用開關(guān)器件及分類按照器件關(guān)斷方式可分為：按照器件關(guān)斷方式可分為：l 換流關(guān)斷型換流關(guān)斷型( Thyristor ) 利用施加反向電壓使電流反向而實(shí)現(xiàn)器件關(guān)斷。l 自關(guān)斷型自關(guān)斷型( 功率晶體管、功率晶體管、GTO、電壓型器件、電壓型器件 ) 僅通過在控制端和公共端之間施加一正的電壓信號實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通，施加一負(fù)的電壓信號實(shí)現(xiàn)關(guān)斷的器件。常用開關(guān)器件及分類常用開關(guān)器件及分類按

5、照器件觸發(fā)方式可分為：按照器件觸發(fā)方式可分為：l 電觸發(fā)型電觸發(fā)型( (Thyristor、MOS器件器件) ) 門極用電信號來觸發(fā)使其開通的器件。l 光觸發(fā)型光觸發(fā)型( (LTT) ) 用光直接來觸發(fā)使其開通的器件。l 熱觸發(fā)型熱觸發(fā)型( (溫控晶閘管溫控晶閘管) ) 當(dāng)溫度達(dá)到某一值，熱激發(fā)使之開通的器件。常用開關(guān)器件及分類常用開關(guān)器件及分類常用的主要功率器件常用的主要功率器件二極管二極管( (整流整流/ /雪崩雪崩/ /快恢復(fù)快恢復(fù)/ /軟恢復(fù)軟恢復(fù)/ /浪涌保護(hù)浪涌保護(hù)/ /肖特基肖特基) )晶閘管晶閘管 相控晶閘管相控晶閘管 Phase Controlled Thyristor 雙向

6、晶閘管雙向晶閘管 Bidirectional Triode Thyristor ( (Triode AC SwitchTRIAC) 逆變晶閘管逆變晶閘管 Inverse Thyristor 逆導(dǎo)晶閘管逆導(dǎo)晶閘管 Reverse Conducting Thyristor 光控晶閘管光控晶閘管 Light Triggered Thyristor GTO GTO Gate-Turn-Off Thyristor IGBTIGBT (MOSFET類類) Insulated Gate Bipolar Transistor IGCT IGCT Integrated Gate-Commutated Thyri

7、stor IEGT Injection Enhanced Gate Transistor 組合器件組合器件( (IPM)Intelligent Power Module (SOP/SOC/MCM/IPEM)常用開關(guān)器件及分類常用開關(guān)器件及分類型號命名法型號命名法( (國產(chǎn)器件國產(chǎn)器件) )拼音拼音符號符號額定電流額定電流ZK1% 1% 峰值電壓峰值電壓P普通、普通、K快速、快速、S雙向、雙向、N逆導(dǎo)、逆導(dǎo)、Q汽車、汽車、B雪崩、雪崩、L光觸發(fā)光觸發(fā).例例:ZK1000-8 表示額定平均正向電流1000A，反向阻斷電壓800V KS200-12 表示額定電流（有效值）200A，斷態(tài)阻斷電壓120

8、0V注意：注意：電流電流平均值（平均值（KS除外）除外） 電壓電壓峰值峰值2. pnpn2. pnpn器件導(dǎo)通物理過程器件導(dǎo)通物理過程晶閘管結(jié)構(gòu)及等效電路晶閘管結(jié)構(gòu)及等效電路基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 四層：四層：PNPN 三端三端: A、K、G 三結(jié)：三結(jié)：J1、J2、J3 (1)(1)晶閘管結(jié)構(gòu)及等效電路晶閘管結(jié)構(gòu)及等效電路基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)摻雜濃度分布摻雜濃度分布pnpn pnpn 器件導(dǎo)通原理器件導(dǎo)通原理等效電路等效電路正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM伏安特性伏安特性2. pnpn2. pnpn器件導(dǎo)通物理過程器件導(dǎo)通物理過程晶

9、閘管晶閘管導(dǎo)通導(dǎo)通需具備需具備兩個條件兩個條件：u 正向偏置；正向偏置；uA A、K K間有間有“”的信號。的信號。晶閘管晶閘管關(guān)斷關(guān)斷亦需具備亦需具備兩個條件兩個條件：u陽極電壓反向或過零；陽極電壓反向或過零；u流過流過A A、K K間的電流小于間的電流小于I IH H 以下。以下。2. pnpn2. pnpn器件導(dǎo)通物理過程器件導(dǎo)通物理過程螺栓型晶閘管平板型平板型晶閘管外形晶閘管外形2. pnpn2. pnpn器件導(dǎo)通物理過程器件導(dǎo)通物理過程先討論四層兩端器件先討論四層兩端器件l 正向偏置的pnpn四層兩端器件具有兩個特點(diǎn)： 具有通態(tài)和斷態(tài)兩個穩(wěn)定狀態(tài)； 有負(fù)阻現(xiàn)象。 在在G開路時，開路時

10、，A K間加正向電壓反偏間加正向電壓反偏的的PN結(jié)結(jié)J2是如何變?yōu)檎?？是如何變?yōu)檎模繉?dǎo)通物理過程導(dǎo)通物理過程 雪崩區(qū)雪崩區(qū)：當(dāng)外加電壓上升到接近當(dāng)外加電壓上升到接近J J2 2結(jié)的擊穿電壓結(jié)的擊穿電壓V VB B時，空間時，空間電荷區(qū)內(nèi)電場變得很大，引起雪崩倍增。反向產(chǎn)生電流通過電荷區(qū)內(nèi)電場變得很大，引起雪崩倍增。反向產(chǎn)生電流通過勢壘區(qū)由碰撞電離而增加勢壘區(qū)由碰撞電離而增加M M倍。通過倍。通過J J2 2結(jié)的電流由原來的反結(jié)的電流由原來的反向電流轉(zhuǎn)變?yōu)橛上螂娏鬓D(zhuǎn)變?yōu)橛蒍 J1 1、J J3 3結(jié)注入的載流子經(jīng)過基區(qū)后衰減而又結(jié)注入的載流子經(jīng)過基區(qū)后衰減而又在勢壘區(qū)倍增了的電流。在勢壘

11、區(qū)倍增了的電流。 斷態(tài)區(qū)斷態(tài)區(qū)：當(dāng)外加正向電壓當(dāng)外加正向電壓V VJ J2 2結(jié)雪崩電壓，復(fù)合與結(jié)雪崩電壓，復(fù)合與補(bǔ)充維持電中性。只有小補(bǔ)充維持電中性。只有小的電流流過的電流流過J J2 2結(jié)，類似二結(jié)，類似二極管的反向特性。極管的反向特性。nBVVM11lV V較小時，較小時，M M11；當(dāng)；當(dāng)V VV VB B時，時，M M急劇增加；急劇增加；l 當(dāng)電流放大系數(shù)與雪崩倍增因子的積等于當(dāng)電流放大系數(shù)與雪崩倍增因子的積等于1 1時，時，所對應(yīng)的外加電壓即為轉(zhuǎn)折電壓所對應(yīng)的外加電壓即為轉(zhuǎn)折電壓V VB0B0。負(fù)阻區(qū)：負(fù)阻區(qū)： 當(dāng)外加電壓大于轉(zhuǎn)折電壓時，勢壘區(qū)內(nèi)雪當(dāng)外加電壓大于轉(zhuǎn)折電壓時，勢壘區(qū)內(nèi)

12、雪崩倍增產(chǎn)生大量的電子空穴對，這些載流子受崩倍增產(chǎn)生大量的電子空穴對，這些載流子受反向電場的抽取作用，電子進(jìn)入反向電場的抽取作用，電子進(jìn)入n n1 1區(qū)，空穴進(jìn)區(qū)，空穴進(jìn)入入p p2 2區(qū)。由于不能很快復(fù)合，將使區(qū)。由于不能很快復(fù)合，將使J J2 2結(jié)兩側(cè)產(chǎn)結(jié)兩側(cè)產(chǎn)生載流子積累，即生載流子積累，即p p2 2區(qū)有區(qū)有空穴積累空穴積累，n n1 1區(qū)有電區(qū)有電子積累以補(bǔ)償離化的雜質(zhì)，使空間電荷區(qū)變薄。子積累以補(bǔ)償離化的雜質(zhì)，使空間電荷區(qū)變薄。p p2 2區(qū)電位升高，區(qū)電位升高，n n1 1區(qū)電下降區(qū)電下降。降落在。降落在J J2 2結(jié)上的結(jié)上的電壓減小，雪崩倍增減弱，電壓減小，雪崩倍增減弱，J

13、J1 1、J J3 3結(jié)的注入增結(jié)的注入增強(qiáng)，從而出現(xiàn)電壓減小、電流增強(qiáng)的負(fù)阻現(xiàn)象。強(qiáng)，從而出現(xiàn)電壓減小、電流增強(qiáng)的負(fù)阻現(xiàn)象。 通態(tài)區(qū)：通態(tài)區(qū)： 由于上述積累增加，由于上述積累增加，J J2 2結(jié)電壓下降直至結(jié)電壓下降直至M M=1=1雪崩倍雪崩倍增停止時，仍能維持使增停止時，仍能維持使p p2 2區(qū)相對區(qū)相對n n1 1區(qū)為正，區(qū)為正，J J2 2結(jié)倒向，結(jié)倒向，三個結(jié)均處于正向，有類似二極管的正向特性。三個結(jié)均處于正向，有類似二極管的正向特性。 反向阻斷區(qū)反向阻斷區(qū)：反向電壓由反向電壓由J J1 1結(jié)承擔(dān)，與單個結(jié)承擔(dān)，與單個pnpn結(jié)反向結(jié)反向特性相似。特性相似。2.2.2 pnpn器件

14、導(dǎo)通物理過程器件導(dǎo)通物理過程晶閘管的觸發(fā)機(jī)構(gòu)晶閘管的觸發(fā)機(jī)構(gòu):用各種使用各種使 增大的方法來實(shí)現(xiàn)器件開通增大的方法來實(shí)現(xiàn)器件開通: 門極電流觸發(fā)門極電流觸發(fā) ;熱觸發(fā)熱觸發(fā) ;陽極電壓觸發(fā)陽極電壓觸發(fā) ; 觸發(fā)觸發(fā); 光觸發(fā)光觸發(fā) .dtdv晶閘管正常工作時的特性總結(jié)如下：晶閘管正常工作時的特性總結(jié)如下：承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。晶閘管都不會導(dǎo)通。承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。下晶閘管才能開通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去

15、控制作用。要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下近于零的某一數(shù)值以下 。本節(jié)要點(diǎn):半導(dǎo)體功率器件的分類方法；半導(dǎo)體功率器件的分類方法；國內(nèi)產(chǎn)品型號命名及額定值；國內(nèi)產(chǎn)品型號命名及額定值；晶閘管的晶閘管的J2 結(jié)在正偏下是如何倒向的？結(jié)在正偏下是如何倒向的？晶閘管的開通條件是什么？晶閘管的開通條件是什么？ 復(fù)習(xí)重點(diǎn)復(fù)習(xí)重點(diǎn)題型是：題型是：1、填空題（每空、填空題（每空1分，共分，共25分）分） 2、問答題（、問答題（2個，每個個，每個10分，共分，共20分）分） 3、分析題（、分析題（2個，每個個，每個15分，共分，共30分）分） 4、計(jì)算題（、計(jì)算題（2個，共個，共25分）分）重要知識點(diǎn)：重要知識點(diǎn)：1、填空題、填空題 重點(diǎn)：每一章的基本概念，定義等重點(diǎn)：每一章的基本概念，定義等2、問答題、問答題 涉及基本概念和應(yīng)用，包含第二章，第三章，第四章涉及基本概念和應(yīng)用，包含第二章，第三章，第四章3、分析題、分析題 （1）畫圖，并分析，第二章）畫圖，并分析，第二章 （2）畫圖，并分析，第三章）畫