電力半導(dǎo)體器件

第一章電力半導(dǎo)體器件對應(yīng)電力二極管，由于要求承受高壓，與普通的P-N結(jié)不同，其內(nèi)部一個N-層，其雜質(zhì)濃度很低，電阻率很高，通過它實現(xiàn)很高的耐壓能力。IOIFUTOUFU3.比較：1擊穿實質(zhì)不同：一個是通過碰撞產(chǎn)生載流子；一個是通過強電場直接破壞共價鍵；

2產(chǎn)生條件不同：齊納擊穿要求高雜濃度，雪崩擊穿濃度較低；

3.聯(lián)系：發(fā)生齊納擊穿一定產(chǎn)生雪崩擊穿；而發(fā)生雪崩擊穿則未必發(fā)生齊納擊穿。熱擊穿是永久損壞。電擊穿發(fā)生時，若外電路將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，反向電壓降低后PN節(jié)仍可恢復(fù)。若電流未控制住，發(fā)生了熱擊穿，則二極管永久損壞。特點：工藝上多采用摻金措施，結(jié)構(gòu)上多采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)。或改進的PIN型結(jié)構(gòu)，但耐壓不高。SiliconControlledRectifier圖1-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理

a)雙晶體管模型b)工作原理

■晶閘管的工作原理

◆按照晶體管工作原理，可列出如下方程：（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。◆晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下

是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后，

迅速增大。◆在晶體管阻斷狀態(tài)下，IG=0，而1+2是很小的。由上式可看出，此時流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個晶體管漏電流之和。

◆如果注入觸發(fā)電流使各個晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）將趨近于無窮大，從而實現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通?！粲捎谕怆娐坟?fù)載的限制，IA實際上會維持有限值。

由以上式（2-1）~（2-4）可得(1-3)2晶閘管的基本特性■靜態(tài)特性

◆正常工作時的特性

?當(dāng)晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。

?當(dāng)晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。

?晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通。?若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。

◆晶閘管的伏安特性

?正向特性

√當(dāng)IG=0時，如果在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過。

√如果正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通?！屉S著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低，晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。

√如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)，IH稱為維持電流。

圖1-8晶閘管的伏安特性

IG2>IG1>IG

正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+?反向特性

√其伏安特性類似二極管的反向特性。

√晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反向漏電流通過。

√當(dāng)反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管損壞。

圖1-8晶閘管的伏安特性 IG2>IG1>IG正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+晶閘管的基本特性■動態(tài)特性◆開通過程

?由于晶閘管內(nèi)部的正反饋過程需要時間，再加上外電路電感的限制，晶閘管受到觸發(fā)后，其陽極電流的增長不可能是瞬時的。?延遲時間td

(0.5~1.5s)

上升時間tr(0.5~3s)

開通時間tgt=td+tr?延遲時間隨門極電流的增大而減小,上升時間除反映晶閘管本身特性外，還受到外電路電感的嚴(yán)重影響。提高陽極電壓,延遲時間和上升時間都可顯著縮短。

圖2-10晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形陽極電流穩(wěn)態(tài)值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA陽極電流穩(wěn)態(tài)值的10%◆關(guān)斷過程

?由于外電路電感的存在，原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r，其陽極電流在衰減時必然也是有過渡過程的。

?反向阻斷恢復(fù)時間trr

正向阻斷恢復(fù)時間tgr

關(guān)斷時間tq=trr+tgr?關(guān)斷時間約幾百微秒。

?在正向阻斷恢復(fù)時間內(nèi)如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向?qū)?，而不是受門極電流控制而導(dǎo)通。圖2-10晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形100%反向恢復(fù)電流最大值尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA因此，在實際應(yīng)用中，應(yīng)對晶閘管施加足夠長的反向電壓。晶閘管門極與陰極之間的PN結(jié)J3，其伏安特性稱為門極伏安特性。3晶閘管的主要參數(shù)■電壓定額◆斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM?是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓（見圖1-8）。

?國標(biāo)規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即斷態(tài)最大瞬時電壓）UDSM的90%。

?斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo。◆反向重復(fù)峰值電壓URRM

?是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓（見圖1-9）。

?規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓URRM為反向不重復(fù)峰值電壓（即反向最大瞬態(tài)電壓）URSM的90%。?反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向擊穿電壓。2.3.3晶閘管的主要參數(shù)

◆通態(tài)峰值電壓UTM?晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。

◆通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓2~3倍?！鲭娏鞫~

◆通態(tài)平均電流IT(AV）

?國標(biāo)規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。

?按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來定義的。?一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等（即有效值相等）的原則來選取晶閘管的電流定額。

2.3.3晶閘管的主要參數(shù)◆維持電流IH

?維持電流是指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。?結(jié)溫越高，則IH越小。

◆擎住電流IL?擎住電流是晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。

?約為IH的2~4倍

◆浪涌電流ITSM

?指結(jié)溫為額定值時，在工頻正弦波半周期期間器件能承受的最大過載電流，而且緊接浪涌后的半周期內(nèi)應(yīng)能承受規(guī)定的反向電壓。■動態(tài)參數(shù)

◆開通時間tgt和關(guān)斷時間tq

◆斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

?在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。

?電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通。

◆通態(tài)電流臨界上升率di/dt

?在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。

?如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。1.3.2雙向晶閘管a)b)IOUIG=0GT1T2■雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）◆可以認(rèn)為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。◆門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第Ｉ和第III象限有對稱的伏安特性。

◆雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。圖1-11雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a)電氣圖形符號b)伏安特性

雙向晶閘管的觸發(fā)方式雙向晶閘管正反兩個方向都能導(dǎo)通，門極加正負(fù)電壓都能觸發(fā)。主電壓與觸發(fā)電壓相互配合，可以得到四種觸發(fā)方式：Ⅰ+觸發(fā)方式：主極T1為正，T2為負(fù)；門極電壓G為正（對T2）。特性曲線在第Ⅰ象限。Ⅰ-觸發(fā)方式：主極T1為正，T2為負(fù)；門極電壓G為負(fù)(對T2)。特性曲線在第Ⅰ象限。Ⅲ+觸發(fā)方式：主極T1為負(fù)，T2為正；門極電壓G為正(對T2)。特性曲線在第Ⅲ象限。Ⅲ-觸發(fā)方式：主極T1為負(fù)，T2為正；門極電壓G為負(fù)(對T2)。特性曲線在第Ⅲ象限。由于雙向晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因，四種觸發(fā)方式中觸發(fā)靈敏度不相同，以Ⅲ+觸發(fā)方式靈敏度最低，使用時要盡量避開。常采用的觸發(fā)方式為Ⅰ+和Ⅲ-

。Ⅰ+觸發(fā)靈敏度最高。

1.3.3光控晶閘管AGKa)AK光強度強弱b)OUIA■光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）

◆是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。

◆由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在高壓大功率的場合。圖1-12光控晶閘管的電氣圖形符 號和伏安特性

a)電氣圖形符號b)伏安特性

1.4.1門極可關(guān)斷晶閘管■晶閘管的一種派生器件，但可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于全控型器件。

■GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理

◆GTO的結(jié)構(gòu)?是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。?是一種多元的功率集成器件，雖然外部同樣引出3個電極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。多元集成結(jié)構(gòu)，陰極很小，門、陰極間距很小，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。

圖1-13GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號各單元的陰極、門極間隔排列的圖形

并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖電氣圖形符號

1.4可關(guān)斷器件◆GTO的工作原理：導(dǎo)通過程

?仍然可以用如左所示的雙晶體管模型來分析GTO工作原理：關(guān)斷過程當(dāng)門極施加負(fù)脈沖時，門極負(fù)電流排除P2區(qū)非平衡空穴載流子的積累，門極負(fù)電壓阻止N2區(qū)陰極非平衡載流子的注入。門極負(fù)電流，意味著P2基區(qū)中的空穴通過門極流出器件，而電子則通過J3結(jié)從陰極排出。隨著空穴和電子的排除，在J3結(jié)附近形成了耗盡層。此耗盡層從陰極靠近門極的區(qū)域逐漸向陰極中心部分?jǐn)U展。這樣，從N2陰極沒有電子注入P2基區(qū)，P2區(qū)與N2區(qū)中的過剩載流子復(fù)合一直到達(dá)電中性為止。J3結(jié)如能維持反偏置狀態(tài)，將為J2結(jié)迅速恢復(fù)阻斷能力創(chuàng)造條件，只要J2結(jié)恢復(fù)了反向阻斷能力，GTO就進入關(guān)斷狀態(tài)。關(guān)斷過程的內(nèi)部機理：1.4.1門極可關(guān)斷晶閘管?GTO的導(dǎo)通過程與普通晶閘管是一樣的，只不過導(dǎo)通時飽和程度較淺。

?而關(guān)斷時，給門極加負(fù)脈沖，即從門極抽出電流，當(dāng)兩個晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使1+2<1時，器件退出飽和而關(guān)斷。

?GTO的多元集成結(jié)構(gòu)使得其比普通晶閘管開通過程更快，承受di/dt的能力增強。

1.4.1門極可關(guān)斷晶閘管■GTO的動態(tài)特性

◆開通過程與普通晶閘管類似。

◆關(guān)斷過程

?儲存時間ts

下降時間tf

尾部時間tt?通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。