第八章功率器件06

一、引言功率器件的作用：整流、放大、開關(guān)功率器件的性能：由額定電壓、額定電流、開關(guān)速度（工作頻率）、反向耐壓等描述。關(guān)鍵參數(shù)：輸出容量＝額定電壓

額定電流大的功率意味著大電流和高的電壓。二、二極管各種二極管的工作和特點(diǎn)二極管種類工作原理特點(diǎn)檢波二極管Pn結(jié)整流作用小信號、高頻整流二極管Pn結(jié)整流作用大電流、高耐壓開關(guān)二極管Pn結(jié)整流作用高速開關(guān)穩(wěn)壓二極管Pn結(jié)的擊穿特性常與溫度相關(guān)變?nèi)荻O管Pn結(jié)耗盡層電容調(diào)諧肖特基勢壘二極管金屬－半導(dǎo)體接觸的特性整流、快速常見的功率二極管pn結(jié)整流二極管已實(shí)現(xiàn)額定電流數(shù)毫安－千安,反向耐壓數(shù)十伏－千伏的二極管Pn結(jié)與外部接觸的表面部分由于高電壓會發(fā)生沿面放電，為此制成斜角結(jié)構(gòu)，并涂硅膠保護(hù)。為提高耐壓可以在高阻n區(qū)中增加p＋和n＋交錯重疊的結(jié)構(gòu)，使耗盡層能向整個n區(qū)擴(kuò)展。p－i－n二極管特點(diǎn)：耐壓高>200V時多采用、功率大，但反向恢復(fù)時存在較大瞬態(tài)電流，會帶來顯著功率損耗。i層（n－層）漂移區(qū)，必須摻雜濃度低、厚度大肖特基整流二極管n－層擴(kuò)散區(qū)，必須摻雜濃度低、厚度大利用金屬半導(dǎo)體接觸的整流特性。多子器件肖特基整流二極管特點(diǎn)：低工作電壓<100V時多采用具有開態(tài)電壓低、工作頻率高等特點(diǎn)。存在反向電壓增加引起泄漏電流迅速增加的問題。金屬半導(dǎo)體接觸中的肖特基效應(yīng)結(jié)－勢壘－控制型肖特基二極管JBS在肖特基二極管的漂移區(qū)增加pn結(jié)，使反偏時pn結(jié)勢壘屏蔽外加偏壓對肖特基勢壘的影響，消除反向電壓增加引起泄漏電流迅速增加的問題。三、晶閘管晶閘管tryristor，可控硅整流器是一類具有三個以上pn結(jié)的器件，能夠保持開態(tài)和關(guān)態(tài)兩種穩(wěn)定狀態(tài)，并可在兩種狀態(tài)間轉(zhuǎn)換的器件。關(guān)態(tài)下：可以承受低反向電流下的高偏壓。開態(tài)下：在低壓降下能傳導(dǎo)大電流。通常使用多的是：反向阻擋三端可控整流器（硅可控整流器、晶閘管）GTO晶閘管雙向硅可控整流管反向阻擋三端可控整流器（硅可控整流器、晶閘管）結(jié)構(gòu)、特性有通和斷兩個穩(wěn)定狀態(tài)、有負(fù)阻現(xiàn)象器件中的雜質(zhì)分布情況工作原理反向區(qū)：A接負(fù)，K接正。偏壓小于pn結(jié)的反向擊穿電壓（反向阻斷電壓)J1結(jié)、J3結(jié)反偏。只有很小的電流流過。類似于pn結(jié)的反向電流－＋任何信號工作原理正向區(qū)斷態(tài)區(qū)：A接正，K接負(fù)，但所加偏壓較?。╒<<J2結(jié)的雪崩擊穿電壓。

J1結(jié)、J3結(jié)正偏；J2結(jié)反偏。－＋正偏正偏反偏正向區(qū)的載流子分布工作原理正向區(qū)斷態(tài)區(qū)由于J2反偏，只能流過很小的反向電流，因此在該區(qū)，雖然工作在正向區(qū)，但只有小的電流，特性類似于二極管的反向特性。

I＝0

IB0雪崩區(qū)：A接正，K接負(fù)，但所加偏壓增大（V－J2結(jié)的雪崩擊穿電壓VB）。J1結(jié)、J3結(jié)正偏；J2結(jié)反偏，但出現(xiàn)雪崩擊穿，產(chǎn)生大量電子、空穴對，反向漏電流變大。器件轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，該界限為轉(zhuǎn)折電壓VBo。雪崩區(qū)加?xùn)趴仉娏鱅G后，相當(dāng)于n2p2n1晶體管的基極電流，在J1處引起空穴的反向注入，增大到一定后，J2結(jié)中出現(xiàn)載流子積累，器件轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。IG增大，VB0減小。通常

IG在幾mA－幾百mA。晶閘管用小信號控制大功率的“可控”器件。負(fù)阻區(qū)：A接正，K接負(fù)，外加電壓大于轉(zhuǎn)折電壓。J1結(jié)、J3結(jié)正偏；J2結(jié)反偏，雪崩擊穿所產(chǎn)生大量電子、空穴對受反向電場抽取，電子進(jìn)入n1區(qū)，空穴進(jìn)入p2區(qū)，使空間電荷區(qū)變薄，雪崩減弱，J1、J3結(jié)的注入增強(qiáng)。出現(xiàn)電壓減小，電流增加的負(fù)阻現(xiàn)象。負(fù)阻區(qū)導(dǎo)通區(qū)：A接正，K接負(fù)，負(fù)阻情況積累到一定程度后，出現(xiàn)p2區(qū)相當(dāng)于n1區(qū)為正，J2結(jié)倒向，三個結(jié)均處于正偏。出現(xiàn)類似于二極管正向大I－V特性。器件轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。導(dǎo)通后柵極信號失去作用，IG撤去后器件仍為此導(dǎo)通。于是僅靠IG無法實(shí)現(xiàn)由導(dǎo)通到阻斷態(tài)的關(guān)斷。為了保持導(dǎo)通狀態(tài)所必須的最低電壓和電流分別稱為維持電壓VH和維持電流IH。正向?qū)▍^(qū)導(dǎo)通導(dǎo)通態(tài)阻斷態(tài)由導(dǎo)通態(tài)返回阻斷態(tài)必須減小電壓（V<VH），或改變偏壓的極性。阻斷態(tài)導(dǎo)通態(tài)A接正，K接負(fù)，外加電壓大于轉(zhuǎn)折電壓。IG的作用在于調(diào)控轉(zhuǎn)折電壓的大小。易于實(shí)現(xiàn)大容量，但沒有自關(guān)斷能力，難以適應(yīng)復(fù)雜控制。開關(guān)特性額定臨界導(dǎo)通電流上升率可控硅整流器的導(dǎo)通是從柵附近開始，逐漸向全區(qū)擴(kuò)展開去，擴(kuò)展速度約0.1mm/us.若導(dǎo)通電流上升過快，則其電流會集中在柵附近而導(dǎo)致器件損壞。因此需要規(guī)定導(dǎo)通時的電流上升率。典型值為：100A/us關(guān)斷時間在導(dǎo)通態(tài)時，加反向偏壓使之轉(zhuǎn)換為關(guān)斷態(tài)后，如果馬上再加小的正向偏壓，往往是再次返回到導(dǎo)通態(tài)，而無法退回到正向阻斷態(tài)。為此，必須加足夠長時間的反向電壓。定義：從導(dǎo)通電流變?yōu)榱愕臅r刻起，到正向阻斷能力恢復(fù)所需要的時間為關(guān)斷時間，典型值為幾十－幾百微秒數(shù)量級。臨界關(guān)電壓上升率當(dāng)陡變電壓加到處于正向阻斷態(tài)的硅可控整流器的AK間，則轉(zhuǎn)折電壓會下降。所加電壓的變化率dV/dt越大則越容易轉(zhuǎn)移到開態(tài)，通常定義：當(dāng)達(dá)到額定電壓的1/2或2/3時，的dV/dt為臨界關(guān)電壓上升率。典型值為：100－1000V/us。柵關(guān)斷（GTO）硅可控整流管GTO硅可控整流管（GateTurnOff）普通硅可控整流管加上正的柵極信號可以使其導(dǎo)通，但加?xùn)艠O信號卻無法使器件關(guān)斷。必須設(shè)置復(fù)雜的控制電路使AK間的電流過零。結(jié)果使控制電路復(fù)雜、體積增加成本提高，效率降低。用正的柵極信號可以控制其導(dǎo)通，負(fù)的柵極信號可以實(shí)現(xiàn)其關(guān)斷的特殊晶閘管。在具有普通硅可控整流管特點(diǎn)的同時還具有控制簡便的優(yōu)點(diǎn)。柵關(guān)斷（GTO）硅可控整流管GateTurnOff細(xì)長的陰極周圍用柵極圍住，使積累在n1、p2中的載流子容易由柵極引出，在關(guān)斷時強(qiáng)制主電流降到維持電流以下，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)斷。通常用于關(guān)斷的柵電流達(dá)到截止住主電流的1/3－1/5，即關(guān)斷1000A的電流，必需200－300A的柵電流。柵關(guān)斷（GTO）硅可控整流管GateTurnOff為改善dV/dt特性和關(guān)斷特性常采用將p1層和n1層短接的陽極短路結(jié)構(gòu)。但此時反向耐壓降低。四、功率MOSFET傳統(tǒng)的MOSFET結(jié)構(gòu)在功率應(yīng)用中的問題提高源漏耐壓增加源漏間距溝長必須增大MOSFET的導(dǎo)通電流僅在非常薄的反型層中流過導(dǎo)通電阻大，難以獲得大的輸出電流不適于功率應(yīng)用功率MOSFET的結(jié)構(gòu)V型槽MOSFET（VVMOSFET）最早采用橫向雙擴(kuò)散MOSFET（LDMOSFET）縱向雙擴(kuò)散MOSFET（VDMOSFET，UMOSFET）發(fā)展最快、使用最廣，耐壓、導(dǎo)通電阻、電流驅(qū)動能力均佳，易于集成?？v向雙擴(kuò)散MOSFETVDMOSFET利用感應(yīng)溝道電導(dǎo)調(diào)制的多子器件柵控的導(dǎo)電溝道是平行的主電流方向由S到D是垂直的（縱向）縱向雙擴(kuò)散MOSFETVDMOSFETVGS<0,源漏間由于反偏的pn結(jié)而不導(dǎo)通，呈現(xiàn)關(guān)斷態(tài)。VGS>0,由于柵極的感應(yīng)將使柵下的p區(qū)耗盡，隨著柵壓的增加p區(qū)將反型，形成n型的導(dǎo)電溝道，這時若在源漏間加上電壓，則電子將從源端S通過反型層流向漏端D。VG的大小可以控制反型層的導(dǎo)電能力，從而控制源漏電流的大小。VDMOSFET的輸出特性線性區(qū)恒電阻區(qū)VG>0,半導(dǎo)體表面反型形成n溝道VD<<VG,VD的變化不影響溝道的形狀和反型載流子數(shù)溝道呈電阻性ID－VD呈線性開態(tài)電阻決定最大額定電流和功耗飽和區(qū)恒電流區(qū)隨著VD增大到一定值以后，水平溝道出現(xiàn)夾斷，漏極電流達(dá)到最大值Idmax，并基本保持不變。器件的跨導(dǎo)gm，源漏電流隨柵電壓的變化率。增大跨導(dǎo)可以在低柵電壓下獲得高的電流驅(qū)動能力。開態(tài)電阻Ron功率MOSFET的重要參數(shù)，描述了器件的電流驅(qū)動能力。Ron＝Rn＋＋RCH＋RA＋RJ＋RD＋RS源n＋區(qū)P基區(qū)之間的擴(kuò)散區(qū)漂移區(qū)電阻襯底電阻溝道電阻積累層電阻截止區(qū)當(dāng)VG<VT時，柵壓不足以在半導(dǎo)體的表面形成反型溝道。ID＝0UMOSFET具有較高的溝道密度（有源區(qū)溝道寬度/cm2),使得器件開態(tài)電阻減少。極限參數(shù)最大源漏電流IDmax決定IDmax的主要因素是器件的寬度。通常通過特殊的結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)，以增加單位管芯面積的溝道寬度。最大輸出功率PDmax同時還受熱損耗的限制。Pdmax=(1/2)Idmax(Vdmax-Vdmin)由最大允許漏極電流、最大允許源漏電壓和電流為最大允許漏極電流時的最小源漏電壓所決定擊穿電壓防止寄生n＋pn引起的穿通擊穿合理設(shè)計(jì)基區(qū)寬度合理設(shè)計(jì)擴(kuò)散雜質(zhì)分布可能發(fā)生－源漏擊穿或柵擊穿安全工作區(qū)MOSFET的I－V平面內(nèi)的一個區(qū)域，在該范圍內(nèi)運(yùn)行器件是安全的。在不同的偏置條件下的影響因素不同。在低漏壓時，最大漏極電流是主要的因素。在中等漏壓下，最大允許耗散功耗是主要的因素。在大漏壓下，擊穿電壓是主要的限制因素。絕緣柵雙極晶體管IGBTIGBTInsulatedGateBipolarTransistor電壓驅(qū)動型，以MOSFET作為基本技術(shù)，可以開關(guān)高電壓大電流的器件，兼有MOS器件高輸入阻抗和雙極器件低損耗的特點(diǎn)。具有控制功率小，開關(guān)速度快、電流處理能力大、飽和電壓低等特點(diǎn)。IGBT的基本結(jié)構(gòu)N溝IGBT與功率MOSFET的差別：MOS是nn＋襯底IGBT是p＋n襯底IGBT是用一個MOSFET驅(qū)動PNP雙極晶體管IGBT的等效電路和符號IGBT的工作原理MOSFET雙極晶體管寄生晶閘管雙極晶體管反向阻斷模式：VCE<0(集電極加相當(dāng)于發(fā)射極為負(fù)的偏壓）J1結(jié)反偏，該結(jié)構(gòu)中只能流過很小的pn結(jié)反向電流。耗盡層將擴(kuò)展到輕摻雜的n偏移區(qū)，可以承受大的偏壓。J1J2J3N型偏移區(qū)的設(shè)計(jì)電阻和厚度厚度增大耐壓能力提高正向壓降增加最大工作電壓下耗盡層厚度和少子擴(kuò)散長度之和正向工作VCE>0(集電極加相當(dāng)于發(fā)射極為正的偏壓）J1J2J3正向阻斷VEG＝0（柵與發(fā)射極短接）VCE>0柵下沒有形成表面反型層。J2結(jié)反偏，該結(jié)構(gòu)中只能流過小的pn結(jié)反向電流。正向阻斷能力通常低于反向阻斷能力：由于J2結(jié)的空間電荷區(qū)容易與J1結(jié)的相連，形成穿通。直流工作時，IGBT不需承受反向偏壓，可根據(jù)正向特性設(shè)計(jì)器件。J1J2J3正向?qū)╒EG>Vt（柵壓大于閾值電壓）VCE>0柵下形成表面反型層。J2結(jié)反偏，但反型層構(gòu)成了聯(lián)接n＋發(fā)射區(qū)與n型漂移區(qū)的導(dǎo)電溝道。該結(jié)構(gòu)導(dǎo)通，可以在高的電流密度下工作。p－i－n整流管與MOSFET的串聯(lián)通常IGBT的電流密度為功率MOSFET的20倍IGBT的特性寄生晶閘管的閂鎖效應(yīng)MOSFET雙極晶體管寄生晶閘管最大工作電流受結(jié)構(gòu)中寄生晶閘管的限制J1J2J3電子電流n＋MOS溝道偏移區(qū)正偏J1結(jié)收集極發(fā)射極空穴電流P區(qū)正偏J1結(jié)收集極發(fā)射極J2結(jié)收集空穴電流J3結(jié)正偏大于pn結(jié)的正向?qū)妷?，npn和pnp晶體管的電流增益之和>1開態(tài)電流增大閂鎖集電極電流直接流到發(fā)射極IGBT電流不受柵壓控制，不經(jīng)過MOSFET溝道IGBT的安全工作區(qū)SOASOAsafeoperatingarea如果功率損耗維持在器件決定的熱限制內(nèi)，則器件可以正常工作而不發(fā)生破壞性失效。低電流密度，高電壓器件能夠承受的最大電壓受邊緣擊穿電壓。低集電極電壓，高電流密度器件能夠承受的最大流受寄生晶閘管效應(yīng)的限制。高柵壓器件的閂鎖效應(yīng)。電流、電壓同時增大主要是功率損耗，由芯片的封裝、散熱等因素決定。SiC功率器件從功率應(yīng)用角度，衡量半導(dǎo)體材料的Baliga指標(biāo)（1）熱傳導(dǎo)漂移區(qū)電導(dǎo)（2）指標(biāo)（1）擊穿電場（3）漂移區(qū)電導(dǎo)單極器件的BFOM＝GaAs的BFOM是Si的12.7倍SiC的BFOM是Si的200倍材料指標(biāo)（1）指標(biāo)（2）指標(biāo)（3）Si111GaAs2.422.597.80SiC297240090N型金剛石5300010000003200SiC功率器件SiC的材料性質(zhì)及參數(shù)通常為多晶。禁帶寬度是Si的23倍絕緣擊穿場強(qiáng)是Si的10倍熱導(dǎo)為Si的3倍本征溫度是Si的34倍在功率應(yīng)用中是理想的材料寬帶隙有利于減小pn結(jié)的高溫漏電流高本征溫度可以提高器件的使用極限溫度有利于高絕緣強(qiáng)度減薄偏移層的厚度，減少通態(tài)損耗晶閘管思考題：1、對比整流二極管、pin二極管和肖特基二極管的耐壓情況和工作頻率，并說明原因。2、說明傳統(tǒng)的MOSFET不適合功率應(yīng)用的原因。3、說明晶閘管的工作原理。4、概述IGBT的工作原理。一、概述原則上，電力半導(dǎo)體器件與功率半導(dǎo)體器件的器件物理和器件工作原理等方面是完全相同的。但在高壓、大功率條件下，器件結(jié)構(gòu)等方面還有許多特殊的考慮。高壓器件的特殊技術(shù)考慮：少子控制技術(shù)散熱問題表面成型技術(shù)在高達(dá)幾千A/cm2的電流密度下，注入載流子濃度超過半導(dǎo)體中熱離化的載流子濃度，因此器件中的本底濃度變得不重要，總電子濃度和空穴濃度相等，需要增加一些特殊考慮。電力半導(dǎo)體器件的分類器件類型名稱不可控器件普通型普通二極管快速型快速恢復(fù)二極管肖特基二極管50余種，可按極數(shù)、結(jié)構(gòu)組合型、觸發(fā)或關(guān)斷方式、應(yīng)用方式等分。器件類型名稱可控器件換流關(guān)斷型雙極晶閘管相控晶閘管P.C.T逆變晶閘管I.T非對稱晶閘管ASCR逆導(dǎo)晶閘管PCT門極輔助關(guān)斷晶閘管GATT光控晶閘管LTT雙向晶閘管BCT器件類型名稱可控器件自關(guān)斷型雙極GTO門極可關(guān)斷晶閘管GCT門極換向關(guān)斷晶閘管GTR單一型達(dá)林頓型MOSMOS型MOSFETMOS雙極混合型場控晶閘管FCTMOS雙極功能集成絕緣柵雙極晶體管IGBT促進(jìn)電子注入柵極晶體管IECTMOS柵晶閘管MGT高壓集成電路HVIC組合器件功率模塊與組件、智能模塊（IPM）高壓器件的基本應(yīng)用電力電子是一門用電子的手段控制電氣回路，以進(jìn)行功率變換和控制的相關(guān)技術(shù)。電力變換電路：整流電路、斬波、變頻等基本電路以及控制、保護(hù)、濾波電路等。為了高效處理，構(gòu)成電路的半導(dǎo)體器件工作在開關(guān)狀態(tài)。靜止型電源裝置：直流穩(wěn)壓電源等。電動機(jī)的可變速驅(qū)動系統(tǒng)。表面成型技術(shù)表面條件影響高壓器件特性：電壓阻斷能力反向漏電流等與器件的體電阻率無關(guān)器件在高溫下耐壓下降穩(wěn)定性差表面電場集中造成的1964年Davies等提出了控制表面電場的表面成型技術(shù)表面特性成為影響器件特性的主要因素。表面成型技術(shù)目的：使表面電場強(qiáng)度顯著低于pn結(jié)的體電場強(qiáng)度。方法：降低pn結(jié)表面電場強(qiáng)度提高表面保護(hù)材料的耐壓強(qiáng)度。半導(dǎo)體表面理論簡介正、負(fù)斜角及其電場分布電力器件的表面成型半導(dǎo)體表面理論簡介半導(dǎo)體表面電場的形成及特點(diǎn)主要有以下幾種觀點(diǎn)：電荷感應(yīng)觀點(diǎn)pn結(jié)表面電荷對電場的影響半導(dǎo)體表面附著帶電雜質(zhì)半導(dǎo)體表面內(nèi)感生等量的異性電荷靜電感應(yīng)類似pn結(jié)的空間電荷區(qū)p＋n結(jié)表面外有正電荷表面空間電荷區(qū)減小表面電場增加p＋n結(jié)表面外有負(fù)電荷表面空間電荷區(qū)增寬表面電場減小表面態(tài)理論在器件表面，由于晶格周期性的破壞，總是存在表面態(tài)，其將影響表面電場分布。通常表面態(tài)的典型范圍：1010－1012cm－2Pn結(jié)反向1200V時，不同表面態(tài)密度下的表面電場強(qiáng)度表面最大電場正表面態(tài)隨之增加而增加負(fù)表面態(tài)隨之增加而減小表面催化物理吸附半導(dǎo)體半導(dǎo)體表面的物質(zhì)化學(xué)吸附當(dāng)化學(xué)吸附以基團(tuán)或離子形式存在時，具有形成新化合物的能力，具有對表面的催化作用。從而引起半導(dǎo)體表面載流子濃度的變化，影響表面電場強(qiáng)度。在pn結(jié)表面進(jìn)行HF吸附處理將明顯改變表面電場強(qiáng)度正、負(fù)斜角及其電場分布正斜角定義：面積由高濃度側(cè)向低濃度方向減小的磨角為正斜角。影響：使表面空間電荷區(qū)向上彎曲，由于低摻雜區(qū)的彎曲程度大于高摻雜區(qū)，因此表面空間電荷區(qū)變寬，表面電場強(qiáng)度下降。特點(diǎn)：最大電場強(qiáng)度隨斜角減小而單調(diào)下降表面最大電場強(qiáng)度始終低于體內(nèi)最大電場強(qiáng)度最大電場強(qiáng)