功率半导体器件

饱和区通态电压近似等于该电压，通常为100~300mV N-drift区存储的过剩少子电荷为：
N-drift区空穴电流(少子)用于维持该区域载流子复合，所以空穴电流密度为：
准饱和区
IB减小导致N-drift区不能完全被电导率调制，被电导率调制的N-drift区宽度为
未被电导率调制的N-drift区宽度
少子在N-drift区的分布： 由电中性条件得到： N-drift区少子与基-集结偏压的关系为： N-drift区压降为： 电子电流可以被忽略，所以集电极电场 由于： 流过集电结的电子电流为： 将VBCJ和VD表达式代入上式得到：
流过集电结的空穴和电子电流为：
饱和区
一旦有上述二次方程求的pNS(0)，即可VD
1.4 双极性功率器件
高浓度的载流子注入降低了器件的 通态电阻(电导率调制)；关断时需 要移除这些高浓度的载流子，导致 大的关断损耗
1.5 MOS-双极功率器件
较易的电压控制、很强的电流处理能力和良好的高频性能
1.6 双极性器件的理想漂移区
比电阻：
最大耗尽层宽度：
最大耗尽层宽度：
：BFOM (Baliga‘s figure of merit, Baliga优值)
在大注入条件下，为维持基区电中性，大 量的多子空穴从基极注入，导致从基区注 入到发射区的空穴流增大，从而最终导致 发射结注入效率降低
所以共射电流增益IC/IB
(
)
大电流效应--- Kirk效应
放大模式下，Jc比较小时，N-drift区耗尽层 电场分布主要由电离施主浓度决定。在大注 入条件下，电子浓度变得与施主浓度相差不 大，这些电子会对带正电荷的施主杂质起到 补偿作用，从而电场分布也受到这些电子浓 度的影响。电子以饱和速度通过集电结区， 所以电子浓度
功率半导体器件
第一章 绪论
1.1 理想的和典型的开关波形
理想的功率器件需要具有无损耗地控制功率流向负载的能力
• 总耗散功率：
• 低频工作区：开态损耗占主导，低开态压降的功率开关器 件是追求目标 • 高频工作区：开关损耗占主导，高开关速度和低的转换时 间是追求目标 • 实际需要对低开态压降和低开关损耗进行折衷
未被电导率调制的N-drift区压降成为通态压降的主要部分
3.3 开关特性
电子在基区渡越时间 基区电子存储
集电极电流随时间变化
集电极电流上升时间
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关态过程
大电流效应--- Webster效应
在大注入条件下，发射结边界处空穴浓度
流过发射结的空穴电流
忽略基区载流子复合，基极电流等于注入 发射区的空穴电流
1.7 用于制备功率器件的半导体材料优值
1.8 课程内容及考核
• P-i-n整流器件，双极功率器件，功率MOSFET， 晶闸管类器件，双极-MOS功率器件 • 学时32：周二（1~16周） • 考核方式：平时60%+随堂测试40%
第二章 p-i-n二极管
• • • •
应用:整流器 额定电流: 1A 到几百安培 反向阻断电压: 几十伏特到几千伏特 设计目标: 高反向阻断电压、低正向压降、开关态 间快的转换速度
第三章 双极结型功率晶体管 • • • • 基本特性 关态阻断电压 高电压和大电流特性 动态特性
3.1 双极晶体管的结构及基本特性
除了N+发射极和P基区外，功率BJT具有一个宽的掺杂浓度极低的集电极漂 移区用于承受高的阻断电压
电流增益
共射极电流增益：
共基极电流增益：
共射与共基极电流增益：
(1) 反向阻断态
(2) 正向阻断态 (3) 正向导通态
反向阻断
反向阻断能力由如下因素决定：
(1)雪崩击穿电压： (2)穿通电压： (3)介于上述极限之间，类似于开路PNP 晶体管，击穿电压决定于J2处空穴注入效 率、N-基区空穴扩散长度及有效基区厚度. 发生击穿时，共基极电流增益满足
其中基区输运系数、有效基区宽度及倍 增因子分别为 J1结和J3结反偏，J2结正偏。J3结两边 区域掺杂浓度较高，只能维持比较小的反 向偏压(<50V)，所以反向阻断电压主要降 落在J1两端
2.1 器件性能一维分析
开态电流传输机制 1. 电流非常低时, P–N 结的空间电荷区的复合过程是电流主 要传输机制 2.电流比较低时, 少子通过扩散注入漂移区是电流主要传输机 制 3. 高注入条件下, 漂移区充满大量过剩电子和空穴，电导率 调制成为主要机制
高注入电流
高注入条件下，电中性条件要求漂移区电子和空穴 浓度相等: (2.1) 在N-漂移区中运用连续性方程:
(2.7) (2.8) 同样道理，在 N/P+ 阳极处(x = −d),电流主要由空穴承载:
(2.9)
(2.10)
利用 (2.8), 空穴电流为 (2.11)
(2.12)
方程(2.7)中总电子电流在该处的值为
(2.13)
(2.14) 同样可得到空穴电流 (2.15)
最后，可以得到漂移区载流子浓度与注入电流的关系 (2.16)
(2.23)
n R 1/ n
VM 与J无关
开态压降
开态压降(正向压降)是三项之和:
VF VP VN VM
VP VN K 0
(2.24)
kT
q
ln J
(2.25)
减小正向压降，需要控制d/La的大小，即减小漂移区长度d或增大扩散长度La； La 与载流子寿命的平方根成正比，所以需要漂移区保持尽可能低的掺杂浓度
I C1 M (1 I E1 I C 01 )
IC 2 M ( 2 I E 2 IC 02 )
4.3 晶闸管开关的能带变化
正向阻断态: J1,J3正偏，J2反偏， 空穴从P1注入N1被J2的反偏电场抽 运到P2，使其能带降低，导致J3更 加正偏；与之对应，电子聚集在N1 区使之能带升高，导致J1更加正偏。 在器件端电压不是足够大时，注入 的过剩载流子完全被复合掉 正向导通态：端电压不是足够高时， 载流子除了复合外，剩下的流入外 部电路
求解Poisson方程 布
得到电场分
Jc增大，电场线性分布的斜率变小(a~b).当 Jc增大到 时，耗尽区电荷为 0，电场为一常数值。Jc进一步增加，使得 耗尽区净电荷为负，电场分布变成
Jc增大，导致有效基区展宽，电流增益减小
大电流效应---发射极电流集边效应
低注入情况，电流集边效应
高注入情况，电流集边效应
下面来计算漂移区电场，漂移区任意处电子电流和空穴电流分别为： (2.17)
(2.18)
稳态条件下，总电流是电子和空穴电流之和且为常数： (2.19)
(2.20)
对 (2.20)式电厂分布求积分，可以获得漂移区电压降
(2.21)
d / La 2
d / La 2
电导率调制效应：J
(2.22)
为减小电流集边效应，集电极常采用叉指 构型
第四章 晶闸管 • 工作状态 开通，正向阻断，反向阻断 • 工作原理 双BJT模型 物理模型 瞬态过程 • 各种晶闸管
4.1 结构和工作状态
晶闸管(thyristor)用于非常高的功率 场合，阻断电压常超过3000V，为承 受如此高压，N-drift区掺杂极低。 器件输出特性如左下图：
IG<0，J1和J3的注入效率很低，效率也很 低，开通条件只有在倍增因子M很大时才 能满足，转向电压接近于孤立J2的击穿电 压； IG>0，导致发射极电流增加，电流增益增 大，晶闸管可以在较低的阳极电压下开通
I A I K I E1 I E 2 I C 1 I C 2
J2击穿时，考虑到电流倍增则有
4.2 晶闸管开关的双晶体管模型
阳极电流 I A 得到开通条件
M ( I C 01 I C 01 ) 1 M (1 2 )
Ic1
Ic2
M (1 2 ) 1
IG=0且正向偏压大于VAS时，晶闸管从正 向阻断态转变为低阻抗导通态。类似于基 极开路的BJT，流过整个器件的电流为：
J1 P1 N1
J2
P2
J3
N2
反向阻断态： J1,J3反偏，J2正偏
4.3 开通的瞬态过程 • 门极触发的开通 • 开通区域横向扩展 • 临界通态电流上升率
– 放大门极结构---辅助晶闸管 – 场启动门及结构---悬浮辅助阴极
• 关态临界电压上升率
– 阴极短路点
4.3 关断的瞬态过程 • 利用电路换向关断 • 利用减小正向电流关断 • 门极关断
2.2 动态特性 • 正向导通过程
开通过程中存在电压过冲现象：载流子注入p+-i和n+-i结区，然后扩散 进入低掺杂i区，当电流变化很快时，载流子来不及通过扩散在中间区 域建立起电导调制，从而递增的电流引起递增的电压降落在中间区域
反向过程
在第1阶段结束时，二极管中任然充满了过剩载流子；在第2阶段，反向增大的 电流不断抽走结区的过剩载流子，直至过剩载流子浓度下降到与热平衡时的值， 空间电荷区开始建立；其它区域的过剩载流子导致反向电流继续增大到最大值， 然后随着残余载流子的扩散和复合而衰减，随后反向电压升至其稳定值
(2.2)
(2.2) Dn, Dp: 电子和空穴的扩散系数 : 高注入条件下漂移区载流子寿命
方程 (2.2)X ( p p) ，(2.3)X (n n ) 得到 (2.4)
稳态条件下 (2.4) 应该为
(2.5)
上式中利用了双极扩散系数：
(2.6)
在 N/N+ 阴极处 (x = +d), 电流主要由电子承载，采用100%电子效率假设，可得 到:
1.2 理想的和典型的功率器件特性
正向: 具有传导任意大电流而开态压降为0的能力； 反向阻断模式:具有承受任意大电压而漏电流为0的能力； 具有为0的开态-关态转换时间.
1.3 单极性功率器件
正向电压低，开关速度快； 反向阻断电压低
电压型控制型器件，驱动电路简单； 窄导电沟道，通态电阻随漂移区长 度急剧增大，限制了阻断电压 (<200V)
正向阻断态
当阳极(P+)施加正向正电压时，J1结和J3 结正偏，J2结反偏。反向阻断电压降落在 J2两端 N-区穿通决定的击穿电压：
P区穿通决定的击穿电压：
正向导通状态
随着正向电压升高，器件从高阻态转换到 低阻态，J2结附近有大量过剩载流子，在 整个器件内层，注入的电子和空穴浓度要 远大于多字的平衡浓度，晶闸管行为类似 与P-i-N二极管
基区输运系数：
共射电流增益：
阻断电压
发射极开路时的击穿电压：BVCBO 基射极开路时的击穿电压：BVCEO 集电极电流：
击穿条件： 由于
所以
3.2 开通状态
大电流状态，除了BJT的三个工作区域外，还出现了一个准饱和区。 它的出现源于较厚的掺杂浓度极低的集电极区所引起的电导调至效应
饱和区
利用Einstein关系及流过集电结的电 子电流近似等于总电流得到：
反向阻断电压
反向阻断电压要小于击穿电压，而击穿电压主要有低掺杂去所决定。半导体材料决定 了最大击穿电场EC，对于单边突变结:
VBD
s Ec
2
2qN D
提高要击穿电压(反向阻断电压)的措施： 1.漂移区足够厚(d),以使在反偏时能够建立起足够宽的耗尽层，这与降低正向压降有 冲突，需要折衷考虑 2.使用低掺杂浓度和高电阻率晶圆，在生产中严格控制化学试剂的质量 3.使用具有高击穿电场的材料，如SiC，GaN