功率半导体pdf

第一章功率半导体器件1.1 概述1.1.1 功率半导体器件的定义图1-1为电力电子装置的示意图，输入电功率经功率变换器变换后输出至负载。

功率变换器即为通常所说的电力电子电路（也称主电路），它由电力电子器件构成。

目前，除了在大功率高频微波电路中仍使用真空管（电真空器件）外，其余的电力电子电路均由功率半导体器件组成。

图1-1 电力电子装置示意图一个理想的功率半导体器件、应该具有好的静态和动态特性，在截止状态时能承受高电压且漏电流要小；在导通状态时，能流过大电流和很低的管压降；在开关转换时，具有短的开、关时间；通态损耗、断态损耗和开关损耗均要小。

同时能承受高的di/dt和du/dt以及具有全控功能。

1.1.2功率半导体器件的发展功率半导体器件是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。

从1958年美国通用电气公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由功率半导体器件构成的变流器时代。

功率半导体器件的发展经历了以下阶段：大功率二极管产生于20世纪40年代，是功率半导体器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。

目前已形成整流二极管（Rectifier Diode）、快恢复二极管（Fast Recovery Diode —FRD）和肖特基二极管（Schottky Barrier Diode—SBD）等3种主要类型。

晶闸管（Thyristor, or Silicon Controlled Rectifier—SCR）可以算作是第一代电力电子器件，它的出现使电力电子技术发生了根本性的变化。

但它是一种无自关断能力的半控器件，应用中必须考虑关断方式问题，电路结构上必须设置关断（换流）电路，大大复杂了电路结构、增加了成本、限制了在频率较高的电力电子电路中的应用。

此外晶闸管的开关频率也不高，难于实现变流装置的高频化。

晶闸管的派生器件有逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等。

关于功率MOSFET（VDMOS & LDMOS）的报告---时间日期：2009.11.12---报告完成人：祝靖1．报告概况与思路报告目的：让研一新同学从广度认识功率器件、了解功率器件的工作原理，起到一个启蒙的作用，重点在“面”，更深层次的知识需要自己完善充实。

报告内容：1）从耐压结构入手，说明耐压原理；2）从普通MOS结构到功率MOS结构的发展；（功率MOS其实就是普通MOS结构和耐压结构的结合）；3）纵向功率MOS（VDMOS）的工作原理；4）横向功率MOS（LDMOS）的工作原理；5）功率MOSFET中的其它关键内容；（LDMOS和VDMOS共有的，如输出特性曲线）报告方式：口头兼顾板书，点到即止，如遇到问题、疑惑之处或感兴趣的地方，可以随时打断提问。

2．耐压结构（硅半导体材料）目前在我们的研究学习中涉及到的常见耐压结构主要有两种：①反向PN结②超结结构(包括)；2.1 反向PN结（以突变结为例）图2.1所示的是普通PN结的耐压原理示意图，当这个PN结工作在一定的反向电压下，在PN结内部就会产生耗尽层，P区一侧失去空穴会剩下固定不动的负电中心，N区一侧会失去电子留下固定不动的正电中心，并且正电中心所带的总电量＝负电中心所带的总电量，如图2.1a所示，A区就是所谓耗尽区。

图2.1b所示的是耗尽区中的电场分布情况（需熟悉了解），耗尽区以外的电场强度为零，Em称为峰值电场长度（它的位置在PN，阴影部分的面积就是此时所加在PNP区和N区共同耐压。

图2.2所示的是P+N结的情况，耐压原理和图1中的相同，但是在这种情况中我们常说N负区是耐压区域(常说的漂移区)(a)(b)图2.1 普通PN结耐压示意图（N浓度＝P浓度）图2.2 P＋N结耐压示意图（N浓度<<P浓度）图2.3所示的是反向电压变化情况下的耗尽层内部的电场强度的变化情况，随着N一侧的电压的上升，耗尽层在展宽（对于P+N-结来说，耗尽层展宽的区域为N区一侧，也就是耐压区一侧），峰值电场强度Em的值也在不断升高，但是当Em=Ec时，PN结发生击穿，Ec称为临界电场强度，此时加在PN结两端的电压大小就是击穿电压（BV（如表2.1所示），同种材料不同浓度的临界电场也不同，但是对于硅材料来说，在我们目前关系的浓度范围之内，浓度变化对电场强度的影响不大，因图 2.3 电场强度和电压的关系示意图 Table2.1 不同材料的临界电场2.2 超结结构（SuperJunction ）（了解）除了上述所说的P+N-结结构之外，还有一种我们会接触到的耐压结构——超结结构。

1. 什么是半导体？ (1)2. 什么是能带理论？ (3)3. 什么是电子伏？ (4)4. 半导体能带图 (4)5. 载流子复合 (5)6. PN结的正向导通，反向偏置，击穿，热击穿和热奔 (5)7. 功率半导体器件 (6)7.1. 功率二极管 (6)7.2. 功率晶体管 (6)7.3. 晶闸管 (7)7.4. 结型场效应器件 (7)7.5. 金属氧化物场效应器件MOSFET (8)7.6. 绝缘栅双极晶体管IGBT (10)7.7. MCT (11)8. 功率半导体初始材料 (11)8.1. CZ法 (11)8.2. FZ法 (12)9. 初始材料的处理 (13)1.什么是半导体？✓电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质。

半导体室温时电阻率约在10-5～107欧·米之间，温度升高时电阻率指数则减小。

半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。

锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。

除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。

✓本征半导体不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。

在极低温度下，半导体的价带是满带(见能带理论)，受到热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴（图1 ）。

导带中的电子和价带中的空穴合称电子- 空穴对，均能自由移动，即载流子，它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。

这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。

导带中的电子会落入空穴，电子-空穴对消失，称为复合。

复合时释放出的能量变成电磁辐射（发光）或晶格的热振动能量（发热）。

邮编：412001TEL : ( 0733) 8498396 URL ： 功率半导体器件工作原理1．基本开关过程：功率半导体器件除极少数特殊应用情况外，其余绝大多数都是应用在开关状态下。

应用在所有这些电力电子线路总的器件，它们的基本原理和工作方式都是相同的，我们所有对半导体器件和应用电力电子线路的研究，都是要使其尽可能的工作在低损耗状态。

也就是说应使器件工作在开关状态。

这是因为器件工作在开关状态时，其工作状态是最佳的，通态损耗是最小的。

大家知道，当一个器件在开关状态时，它具有这样的特性： ―导通状态：V ＝0，－∞＜i ＜∞。

―关断状态： i ＝0，－∞＜V ＜∞。

功率半导体器件虽然同是工作在开关状态，当其使用状态不同时，他们表现出不同的特性。

当晶闸管和电感一起组成一个回路时，开关可以主动地开通。

也就是说，它能够在任一时刻开通。

当开通时间趋进于零时，开关中不出现损耗，这主要是因为回路电感能够立即吸收所出现的电压差。

导通状态：v s ＝0；－∞＜i s ＜∞； 关断状态：i s ＝0；－∞＜v s ＜∞； 开关特性：当s v ＞0时，主动开通；当i s ＝0，被动关断2.功率半导体器件基本工作原理功率半导体器件它包括非常多的品种和类别，在这里我们主要介绍晶闸管的结构和工作原理。

晶闸管时具有PNPN 结构的半导体器件，见图1－1。

在阳极P 区和阴极N 区之间施加正向电压时，它具有阻断和导通两个稳定的工作状态。

由图1－2所示的电流－电压特性曲线可以看出，它有一个阻断区和一个导通区。

这一特性可以用于电流的接通和关断。

为了使晶闸管由阻断状态变为动态状态，必须使其电流增加到超过某个阈值。

要实现这个目标，通常我们有两种途径，其一，使用脉冲电流使其通过门极而加于两个中间区的一个来实现。

其二，不断的提高阳极电压，使其超过转折电压（UBO ）。

邮编：412001TEL : ( 0733) 8498396 URL ：图1－1（a ）不加门极电流 （b ）加门极电流I G ＞IGT 。

现代功率半导体器件现代功率半导体器件—IGBT一、IGBT概述IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。

IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。

非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

1.IGBT的结构IGBT是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E，由N沟道VDMOSFET 与双极型晶体管GTR组合而成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。

图1-1 IGBT截面剖视图2.IGBT的工作原理IGBT是在功率MOSFET的基础上发展起来的，两者结构十分类似，不同之处是IGBT多一个P+层发射极，可形成PN结J1，并由此引出漏极；门极和源极与MOSFET相类似。

IGBT的开通和关断是由门极电压来控制的。

门极施以正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。

在门极上施以负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即为关断。

1)VDS为负时：J3结处于反偏状态，器件呈反向阻断状态。

2)VDS为正时：VG<VT，沟道不能形成，器件呈正向阻断状态。

VG>VT，绝缘门极下形成N沟道，由于载流子的相互作用，在N-区产生电导调制，使器件正向导通3)关断时拖尾时间：在器件导通之后，若将门极电压突然减至零，则沟道消失，通过沟道的电子电流为零，使漏极电流有所突降，但由于N-区中注入了大量的电子、空穴对，因而漏极电流不会马上为零，而出现一个拖尾时间。