章电力半导体器件课件
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第1章 半导体器件-PPT课件
V
V
a )
b )
jiaocaiwang
1．2半导体三极管
二、三极管的电流放大作用
三极管实现电流放大作 用的外部条件：发射结 正向偏置, 集电结反向 偏置。 NPN管必须满足： UC＞UB＞UE， 而PNP管必须满足： UC＜UB＜UE。
IB V R + U
BB b
IC
R + IE
c
U -
CC
-
a)
空穴 (少 子 )
内电场
IR
+
A
外电场
U
b)
jiaocaiwang
1．1半导体二极管
三、半导体二极管——结构、符号和类型
jiaocaiwang
1．1 半导体二极管
三、半导体二极管——伏安特性
iV / m A
正向特性：硅管的死 区电压0.5 V，导通压 降0.6～0.7 V，而锗管 为0.1 V和0.2～0.3 V 反向特性：饱和电流Is 反向击穿特性：UBR 温度特性：温度升高 时二极管正向特性曲 线向左移动，反向特 性曲线向下移动。
I/ m A
U
Z
U
B
U
U
A
Z
O
I A ( I Z m in ) IZ IZ IB (IZ m a x) U / V
V
A
B
jiaocaiwang
1．1 半导体二极管
四、特殊二极管——光电二极管、发光二极管
光电二极管正向电阻为几千欧，反向电阻为无穷大，工作在反偏 状态，主要用于需要光电转换的自动探测、控制装置以及光导纤 维通讯系统中作为接收器件等。符号如下： 发光二极管工作在正向偏置状态，导通时能发光，是一种把电能 转换成光能的半导体器件。常用作设备的电源指示灯、音响设备、 数控装置中的显示器。符号如下：
电力半导体器件
21
图3-6 NPN晶体管共射极接法的输出特性
22
2、功率晶体管GTR的特点
习惯上将耗散功率大于1W的晶体管称为功率晶体管，简 称GTR（Giant Transistor）。由于GTR在大耗散功率下工 作，当工作电流和工作电压变化时会导致管子的温度急剧 变化，这样又引起管子的工作状态急剧变化，还会在管子 内部产生大的机械引力，引起GTR损坏。因此，GTR应有 下列性能要求或参数： 具有高的极限工作温度； 小的热阻； 小的饱和导通压降或饱和电阻； 工作稳定可靠； 大电流容量； 高耐压； 快的开关速度。
26
在应用中，增大基极电流，使充电加 快，t d 、t r 都可以缩小，但不宜过大，否 则将增大储存时间。因此在基极电路中采 用加速电容是解决这一问题的一种办法。 为了加速GTR关断，缩短关断时间 t o ff ，基 极驱动电路必须提供具有一定幅值的反向 驱动电流，即加反向基极电压有助于加快 电容上电荷的释放，从而减小 t s 和t f 。但 基极反向电压不能过大，否则会将发射结 击穿，还会增大延迟时间。右图是GTR的 理想驱动波形，IB1’是正向过充驱动电流， 加速GTR导通， 维持I B1 GTR处于临界饱和 状态；关断时初始 是负I B2值' 过冲量，可缩 图3-8 GTR理想驱动波形 短关断时间，防止二次击穿。在应用中， 一般在基极驱动电阻 上并联电容器来实现 理想驱动。
177、二极管类型除一般类型的整流二极管外，还有：
1）快恢复二极管
快恢复二极管具有较短的恢复时间（200ns～2us），但通 态压降较高,快恢复二极管常用于高频电路的整流或钳位。
2）肖特基整流二极管
肖特基二极管是用金属沉积在N型硅的薄外延层上，利用
金属和半导体之间接触势垒获得单向导电作用，接触势垒
图3-6 NPN晶体管共射极接法的输出特性
22
2、功率晶体管GTR的特点
习惯上将耗散功率大于1W的晶体管称为功率晶体管，简 称GTR（Giant Transistor）。由于GTR在大耗散功率下工 作，当工作电流和工作电压变化时会导致管子的温度急剧 变化，这样又引起管子的工作状态急剧变化，还会在管子 内部产生大的机械引力，引起GTR损坏。因此，GTR应有 下列性能要求或参数： 具有高的极限工作温度； 小的热阻； 小的饱和导通压降或饱和电阻； 工作稳定可靠； 大电流容量； 高耐压； 快的开关速度。
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在应用中，增大基极电流，使充电加 快，t d 、t r 都可以缩小，但不宜过大，否 则将增大储存时间。因此在基极电路中采 用加速电容是解决这一问题的一种办法。 为了加速GTR关断，缩短关断时间 t o ff ，基 极驱动电路必须提供具有一定幅值的反向 驱动电流，即加反向基极电压有助于加快 电容上电荷的释放，从而减小 t s 和t f 。但 基极反向电压不能过大，否则会将发射结 击穿，还会增大延迟时间。右图是GTR的 理想驱动波形，IB1’是正向过充驱动电流， 加速GTR导通， 维持I B1 GTR处于临界饱和 状态；关断时初始 是负I B2值' 过冲量，可缩 图3-8 GTR理想驱动波形 短关断时间，防止二次击穿。在应用中， 一般在基极驱动电阻 上并联电容器来实现 理想驱动。
177、二极管类型除一般类型的整流二极管外，还有：
1）快恢复二极管
快恢复二极管具有较短的恢复时间（200ns～2us），但通 态压降较高,快恢复二极管常用于高频电路的整流或钳位。
2）肖特基整流二极管
肖特基二极管是用金属沉积在N型硅的薄外延层上，利用
金属和半导体之间接触势垒获得单向导电作用，接触势垒
第1章：电力电子学半导体器件
◤在晶体管关断状态时，基极电流IB＝0，集 电极发射极间电压即使很高，但发射结与集电 结均处于反向偏置，即UBE≤0，UBC<0，发射结 不注入电子，仅有很少的漏电流流过，在特性 上对应于截止区（I区），相当于处于关断状 态的开关。 ◢
◤当发射结处于正向偏置而集电结仍为反向偏 置时，即UBE>0，UBC<0，随着IB增加，集电极 电流IC线性增大，晶体管呈放大状态，特性上
◤图1-11 b）中的ton叫开通时间，它表示BJT 由截止状态过渡到导通状态所需要的时间。 它由延迟时间td和上升时间tr两部分组成， ton = td + tr。 ◢
◤ td为延迟时间，表示从加入驱动脉冲，到 集电极电流上升到0.1ICsa所需要的时间 tr为 上升时间，表示集电极电流从0.1ICsa上升到 0.9ICsa所需要的时间。◢
对应线性放大区（II区）。◢
◤当基极电流IB>（IC /β）时，晶体管就充分 饱和了。这时发射结和集电结都是正向偏置， 即UBE>0，UBC>0，电流增益和导通压降UCE均达 到最小值，BJT进入饱和区（IV区）。BJT工作 在饱和区，相当于处于导通状态的开关。◢
2020/5/12
BJT的开关特性
: 2.5kV , 1kA , 30μ s •
:1.2kV , 1kA
GTO : 4 .5 kV , 3kA ; 8 kV , 1kA
自关断型
MCT
: 4kV , 2.5kA
SITH : 2 kV , 600 A
BJT : 1200 V , 600 A
•
功率晶体管
功率
MOSFET
◤ BJT工作的安全范围由图1-15所示 的几条曲线限定：①集电极最大允许 直流电流线ICM，由集电极允许承受的 最大电流决定；②集电极允许最高电 压UCE0，由雪崩击穿决定；③集电极 直流功率耗散线PCM ，由热阻决定； ④二次击穿临界线PSB，由二次击穿触 发功率决定。◢
◤当发射结处于正向偏置而集电结仍为反向偏 置时，即UBE>0，UBC<0，随着IB增加，集电极 电流IC线性增大，晶体管呈放大状态，特性上
◤图1-11 b）中的ton叫开通时间，它表示BJT 由截止状态过渡到导通状态所需要的时间。 它由延迟时间td和上升时间tr两部分组成， ton = td + tr。 ◢
◤ td为延迟时间，表示从加入驱动脉冲，到 集电极电流上升到0.1ICsa所需要的时间 tr为 上升时间，表示集电极电流从0.1ICsa上升到 0.9ICsa所需要的时间。◢
对应线性放大区（II区）。◢
◤当基极电流IB>（IC /β）时，晶体管就充分 饱和了。这时发射结和集电结都是正向偏置， 即UBE>0，UBC>0，电流增益和导通压降UCE均达 到最小值，BJT进入饱和区（IV区）。BJT工作 在饱和区，相当于处于导通状态的开关。◢
2020/5/12
BJT的开关特性
: 2.5kV , 1kA , 30μ s •
:1.2kV , 1kA
GTO : 4 .5 kV , 3kA ; 8 kV , 1kA
自关断型
MCT
: 4kV , 2.5kA
SITH : 2 kV , 600 A
BJT : 1200 V , 600 A
•
功率晶体管
功率
MOSFET
◤ BJT工作的安全范围由图1-15所示 的几条曲线限定：①集电极最大允许 直流电流线ICM，由集电极允许承受的 最大电流决定；②集电极允许最高电 压UCE0，由雪崩击穿决定；③集电极 直流功率耗散线PCM ，由热阻决定； ④二次击穿临界线PSB，由二次击穿触 发功率决定。◢
第一章半导体器件.ppt
二极管正、反向电阻的测量值相差越大越好，一般二极管的 正向电阻测量值为几百欧姆，反向电阻为几十千欧姆到几百千欧 姆。如果测得正、反向电阻均为无穷大，说明内部断路;若测量值 均为零，则说明内部短路;若测得正、反向电阻几乎一样大，则说 明这样的二极管已经失去单向导电性，没有使用价值了。
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第二节半导体二极管
2.反向特性 二极管加流有两个特性，一是它随温度的上 升增长很快;二是在反向电压不超过某一数值时，反向电流不随反 向电压改变而改变，故这个电流称为反向饱和电流。
三、主要参数
1.最大整流电流IF 最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的
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第三节半导体三极管
2.输出特性 输出特性是指在基极电流IB为一定值时，三极管集电极电流
入:同集电极与发射极之间的电压UCE的关系，即 在不同的IB下，可得出不同的曲线。所以三极管的输出特性
曲线是一组曲线，如图1-18所示
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第三节半导体三极管
四、三极管的主要参数
从表1-1中看到对一个半导体三极管来说，这个电流放大系数 在一定范围内几乎不变。
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第三节半导体三极管
三、特性曲线
三极管的特性曲线是用来表示该管各极电压和电流之间相互 关系的，这里只介绍三极管共发射极的两种特性，即基极特性(或 输入特性)和集电极特性(或输出特性)。 1.输入特性
输入特性是指在三极管集电极与发射极之间的电压UCE为一 定值时，基极电流IB同基极与发射极之间的电压UBE的关系，即 IB=f(UBE)| UCE =常数，如图1-17所示。
光电二极管可用来作为光控元件。当制成大面积的光电二极 管时，能将光能直接转换为电能，可作为一种能源，因而称为光 电池。目前正大量应用于太阳能热水器中。
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第二节半导体二极管
2.反向特性 二极管加流有两个特性，一是它随温度的上 升增长很快;二是在反向电压不超过某一数值时，反向电流不随反 向电压改变而改变，故这个电流称为反向饱和电流。
三、主要参数
1.最大整流电流IF 最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的
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第三节半导体三极管
2.输出特性 输出特性是指在基极电流IB为一定值时，三极管集电极电流
入:同集电极与发射极之间的电压UCE的关系，即 在不同的IB下，可得出不同的曲线。所以三极管的输出特性
曲线是一组曲线，如图1-18所示
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第三节半导体三极管
四、三极管的主要参数
从表1-1中看到对一个半导体三极管来说，这个电流放大系数 在一定范围内几乎不变。
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第三节半导体三极管
三、特性曲线
三极管的特性曲线是用来表示该管各极电压和电流之间相互 关系的，这里只介绍三极管共发射极的两种特性，即基极特性(或 输入特性)和集电极特性(或输出特性)。 1.输入特性
输入特性是指在三极管集电极与发射极之间的电压UCE为一 定值时，基极电流IB同基极与发射极之间的电压UBE的关系，即 IB=f(UBE)| UCE =常数，如图1-17所示。
光电二极管可用来作为光控元件。当制成大面积的光电二极 管时，能将光能直接转换为电能，可作为一种能源，因而称为光 电池。目前正大量应用于太阳能热水器中。
最新模电课件-第1章-半导体器件课件PPT
第一章 常用半导体器件
§1.1 半导体基础知识 §1.2 半导体二极管 §1.3 晶体三极管 §1.4 场效应晶体管
共价键
价电子共有化，形成共价键的晶格结构
空穴
自由电子
半导体中有两种载流子:自由电子和空穴
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
在外电场作用下，电子的定向移动形成电流
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流
1.本征半导体中载流子为自由电子和空穴(金属呢？)。
2.电子和空穴成对出现,浓度相等。
3.由于热激发可产生电子和空穴,因此半导体的导 电性和温度有关,对温度很敏感。
2 杂质半导体
2.1 N型半导体
在纯净的硅晶体 中掺入五价元素 （如磷），使之取 代晶格中硅原子的 位置，就形成了N 型半导体。
PN结
I扩 I漂
当扩散电流等于漂移电流时，达到动态 平衡，形成PN结。
1.由于扩散运动形成空间电荷区和内电场;
2.内电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移;
3.当扩散电流等于漂移电流时，达到动态 平衡，形成PN结。
3.2 PN结的单向导电性
1) PN结外加正向电压时处于导通状态 加正向电压是指P端加正电压，N端加负电压， 也称正向接法或正向偏置。
将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了 半导体二极管。由P区引出的电极为阳极（A） ，由N区 引出的电极为阴极（ K ）。
《半导体器件》PPT课件
b
+
D1
RL uO
D2
_
输出 波形
1.3.3 限幅电路
+ –
R
D1
D2
++
A Ri
––
工作原理
a. 当ui较小使二极管D1 、D1截止时
电路正常放大
b. 当ui 较大使二极管D1 或D1导通时
+ –
输入电压波形
ui
R
D1
D2
++
A Ri
––
0 t
R
+
D1
D2
++
A Ri
–
––
输出端电压波形
ui
因此，理想二极管正偏时，可视为短路线；反偏 时，可视为开路。
在分析整流，限幅和电平选择时，都可以把二极 管理想化。
1.3 半导体二极管的应用
1.3.1 在整流电路中的应用
整流电路（rectifying circuit）把交流电能转换为直流电能的电
路。
整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不 是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，习惯上 称单向脉动性直流电压。
1.2 半导体二极管
二
1.2.1 半导体二极管的结构和类
极
型
外壳
引线 阳极引线
管
铝合金小球
就
是
PN结
一
N型锗片
触丝
个
N型硅
金锑合金
封
底座
装
的
阴极引线
PN
结
点接触型
平面型
半导体二极管的外型和符号
正极
电工学半导体器件ppt课件
ui
C
uR
t
ui R uR RL uo t
uo
t
1.电路分析
例1：求VDD=10V时，二
极管的 电流ID、电压VD
值解。1：
VD 0V
IDVR DD110K V 01mA
解2：
正向偏置时： 管压降为0，电阻也为0。 反向偏置时： 电流为0，电阻为∞。
VD0.7V IDV DR D V D1V 1 0 K 0 0 .7 V0.9m 3 A
D流1过承D受2反的向电电流压为为－I6D2V1324mA位作在作用这用。里，，D1D起2 隔起离钳
前往
例5：求(1).vI=0V,vI=4V,vI=6V 时，输出v0的值。
(2). Vi=6sinωt V 时，输出v0的 波形。
解：(1) . vI=0V时，D截止。v0 =
vvI=I 4V时，D导通。 vI=6V时，D导通vi 。
空间电荷
区的厚度
扩散运动
固定不变。
10.2.2 PN结的单向导电性
PN结加上正向电压、正向偏置的意 思都是： P区加正、N区加负电压。
PN结加上反向电压、反向偏置的意 思都是： P区加负、N区加正电压。
PN结正向偏置
空间电荷区变薄
P
－+
+
－+
－+ 正向电流
－+
N _
内电场减弱，使扩散加强， 分散 飘移，正向电流大
UQ
性） 动态电阻：
（非线
rD = UQ/ IQ
U
u 在工作点Q附近，动态电
Q
阻近似为线性，故动态电
阻又称为微变等效电阻
例1：二极管：死区电压=0 .5V，正向压降 ＝0.7V(硅二极管)
半导体器件基础ppt课件
常温300K时：
硅：1.4 1010
电子空穴对的浓度
cm3
锗：2.51013 5cm3
导电机制
－ +4
E
＋
+4
+4 自由电子
动画演示
+4
+4 +4
+4
+4
+4
自由电子 带负电荷 电子流
载流子
空穴 带正电荷 空穴流＋总电流
本征半导体的导电性取决于外加能量：
温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。 6
100
0
0
7 00
27
例 ： 二 极 管 构 成 的 限 幅 电 路 如 图 所 示 ， R ＝ 1kΩ ，
UREF=2V，输入信号为ui。
(1)若 ui为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、
理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压uo
解：（1）采用理想模型分析。
R
+
I＝ui UREF 4V 2V 2mA
(1) 稳定电压UZ ——
在规定的稳压管反向工作电流IZ下UZ，所对应的Izm反in 向工作电u压。
(2) 动态电阻rZ ——
△I
rZ =U /I
rZ愈小，反映稳压管的击穿特性△U愈陡。
I zm a x
(3) 最小稳定工作 电流IZmin——
保证稳压管击穿所对应的电流，若IZ＜IZmin则不能稳压。
23
一 、半导体二极管的V—A特性曲线
实验曲线
i
锗
击穿电压UBR
(1) 正向特性 i
u
V
mA
(2) 反向特性
i u
半导体器件 PPT课件
6
本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。 在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶 体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四 个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相 临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。
硅和锗的晶 体结构：
7
硅和锗的共价键结构
+4 +4表示除 去价电子 后的原子
+4
21
空间电荷区， 也称耗尽层。
20
内电场越强，就使漂移 运动越强，而漂移使空 间电荷区变薄。 P型半导体漂移运动 内电场 Nhomakorabea N型半导体
－ － － － － －
－ － － － － － － － － － － － － － － － － －
+ + + + + +
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽，空间电 荷区越宽，
二、P 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼 （或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质 取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的 半导体原子形成共价键时， 空穴 产生一个空穴。这个空穴 +4 可能吸引束缚电子来填补， 使得硼原子成为不能移动 的带负电的离子。由于硼 +3 原子接受电子，所以称为 硼原子 受主原子。
你们好
模拟电子技术基础
第一章
半导体器件
2
第一章
§ 1.1 § 1.2 § 1.3
半导体器件
半导体的特性 半导体二极管 双极结型三极管
本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。 在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶 体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四 个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相 临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。
硅和锗的晶 体结构：
7
硅和锗的共价键结构
+4 +4表示除 去价电子 后的原子
+4
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空间电荷区， 也称耗尽层。
20
内电场越强，就使漂移 运动越强，而漂移使空 间电荷区变薄。 P型半导体漂移运动 内电场 Nhomakorabea N型半导体
－ － － － － －
－ － － － － － － － － － － － － － － － － －
+ + + + + +
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽，空间电 荷区越宽，
二、P 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼 （或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质 取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的 半导体原子形成共价键时， 空穴 产生一个空穴。这个空穴 +4 可能吸引束缚电子来填补， 使得硼原子成为不能移动 的带负电的离子。由于硼 +3 原子接受电子，所以称为 硼原子 受主原子。
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第一章
半导体器件
2
第一章
§ 1.1 § 1.2 § 1.3
半导体器件
半导体的特性 半导体二极管 双极结型三极管
电力电子半导体器件分类高等电力电子技术ppt课件
2.封装的减小 相同额定电流的COOLMOS的管芯减小为传统 MOSFET的1/3~1/4，所以COOLMOS的封装也可以大大减小。
14
高等电力电子技术
1.2.3 COOLMOS
不过，由于“超级结”结构在电荷均衡的工艺上有一定的难度，所以 制造阻断电压1000V以上的COOLMOS具有较大的困难。此外， COOLMOS的内部寄生反向二极管的反向恢复特性和电导率难以达到传 统MOSFET的技术指标，所以COOLMOS一般不适用于中大功率变流器 装置。
5
高等电力电子技术
1.1.3 电力晶体管
电力晶体管有四种类型：①BJT，②电力MOSFET，③IGBT和④ SIT。其中IGBT和电力MOSFET是最为广泛应用的电力电子器件，大到 直流输电，小到生活中的各种家用电器，到处都可以见到这两种器件的 身影。由于这两种器件主要应用于中等功率场合，相对于功率容量的提 升，各家器件公司主要将发展和竞争重点放在损耗的降低上，纷纷推出 新一代的IGBT和MOSFET器件，其中较为典型的技术优化为沟槽型门极 结构和垂直导电技术的广泛应用， IGBT方面还有场终止技术、空穴阻抗 技术等，功率MOSFET方面的典型代表则为“超级结”技术。新的半导 体材料在这两种器件上的应用则基本停留在实验室阶段。
通态导通电阻Ron可表示为： RON=RCS+RN++RCH+RA+RJ+RD+RN++RCD
式中，RCS为源极阻抗；RCH为沟槽阻抗；RJ为JFET区阻抗；RN+为N+ 衬底阻抗；RA为缓冲区阻抗；RD为N-漂移区阻抗；RCD为漏极阻抗。 9
高等电力电子技术
1.2.2 “超级结”结构
正如上面所说，在功率半导体器件发展的历史上最重要的问题就是 寻求如何通过新的器件结构和半导体材料来改善耐受电压和导通压降之 间的矛盾。功率MOSFET作为单极型器件，需要在耐受电压和导通电阻 之间做一个综合考虑，同时在不降低器件性能的前提下减少器件尺寸。
14
高等电力电子技术
1.2.3 COOLMOS
不过，由于“超级结”结构在电荷均衡的工艺上有一定的难度，所以 制造阻断电压1000V以上的COOLMOS具有较大的困难。此外， COOLMOS的内部寄生反向二极管的反向恢复特性和电导率难以达到传 统MOSFET的技术指标，所以COOLMOS一般不适用于中大功率变流器 装置。
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高等电力电子技术
1.1.3 电力晶体管
电力晶体管有四种类型：①BJT，②电力MOSFET，③IGBT和④ SIT。其中IGBT和电力MOSFET是最为广泛应用的电力电子器件，大到 直流输电，小到生活中的各种家用电器，到处都可以见到这两种器件的 身影。由于这两种器件主要应用于中等功率场合，相对于功率容量的提 升，各家器件公司主要将发展和竞争重点放在损耗的降低上，纷纷推出 新一代的IGBT和MOSFET器件，其中较为典型的技术优化为沟槽型门极 结构和垂直导电技术的广泛应用， IGBT方面还有场终止技术、空穴阻抗 技术等，功率MOSFET方面的典型代表则为“超级结”技术。新的半导 体材料在这两种器件上的应用则基本停留在实验室阶段。
通态导通电阻Ron可表示为： RON=RCS+RN++RCH+RA+RJ+RD+RN++RCD
式中，RCS为源极阻抗；RCH为沟槽阻抗；RJ为JFET区阻抗；RN+为N+ 衬底阻抗；RA为缓冲区阻抗；RD为N-漂移区阻抗；RCD为漏极阻抗。 9
高等电力电子技术
1.2.2 “超级结”结构
正如上面所说，在功率半导体器件发展的历史上最重要的问题就是 寻求如何通过新的器件结构和半导体材料来改善耐受电压和导通压降之 间的矛盾。功率MOSFET作为单极型器件，需要在耐受电压和导通电阻 之间做一个综合考虑，同时在不降低器件性能的前提下减少器件尺寸。
电力电子半导体器件SCR介绍 ppt课件
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国产快速晶闸管：KK系列
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国产高频晶闸管：KG系列
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高频晶闸管的特点： ①工作频率高，di/dt大。 ②关断时间短，最高允许结温下10us左右。 ③短时间内（3us）承受尖峰反向电压高，抗过电压能力强，
dv/dt大。 ④重复阻断电压较低，800—1000V。 ⑤抗直通电流能力差，需配置快速过电流保护环节。
门极开路，额定结温下，允许50次/s，持续时间不大于10ms， 重复施加在阳极上的正向最大脉冲电压。
VDRM ≈ 90% VDSM
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３．反向不重复峰值电压VRSM
门极开路，加在SCR阳极反向电压上升到反向伏安特性曲线急 剧弯曲处所对应的电压值。不能重复，每次持续时间不大于10ms 的脉冲电压。
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②换向特性：
两个反并的晶闸管导通、关断相互影响——换向问题。
换向能力是晶闸管的一个特有参数，用换向电流临界下降率
来表示(di/dt)c，为可靠运行，要求双向晶闸管有很强的换向 能力。标准将(di/dt)c分为0.2、0.5、1、2四个等级。 如：200A的器件， 0.2级为(di/dt)c=200× 0.2%= 0.4A/us ③额定通态方均根电流：I T(RMS)
2．正向电流越大，关断时间toff越长；外加反向电压越高，反 向电流越大，关断时间可缩短；结温越高，关断时间越长。
3．关断时，过早施加正向电压，会引起误导通。
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三、参数
（一）电压参数
1．断态不重复峰值电压VDSM 门极开路，加在SCR阳极正向电压上升到正向伏安特性曲线
急剧弯曲处所对应的电压值。不能重复，每次持续时间不大于 10ms的脉冲电压。（转折电压，小于VBO) ２．断态重复峰值电压VDRM
电工学半导体器件课件
P
内电场 外电场
N
–+
U
2. PN 结加反向电压（反向偏置） P接负、N接正
PN 结变宽
－－－ － －－ －－－ － －－ －－－－ － －
+++ +++ +++
+++ +++ +++
P
IR
内电场 外电场
–U+
N
内电场被加 强，少子的漂 移加强，由于 少子数量很少， 形成很小的反 向电流。
PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小， 反向电阻较大，PN结处于截止状态。
掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。
14.1.1 本征半导体
完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征 半导体。
价电子
Si
Si
共价健
Si
Si
晶体中原子的排列方式
硅单晶中的共价健结构
共价键中的两个电子，称为价电子。
在这里，二极管起钳位作用。
例2: D2
D1
3k 6V
12V
求：UAB
两个二极管的阴极接在一起
A +
取 B 点作参考点，断开二极
UAB 管，分析二极管阳极和阴极 – B 的电位。
V1阳 =－6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= －12 V
UD1 = 6V，UD2 =12V
∵ UD2 >UD1 ∴ D2 优先导通， D1截止。
一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。 二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。
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1.4.1 概述
◤功率场效应管，即功率 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 是一种单极型的 电压控制器件，有驱动功率小、 工作速度高、无二次击穿、安 全工作区宽等显著优点。◢
◤在中小功率的高性能开关电源、 斩波器、逆变器中，功率场效 应管成为双极型晶体管的竞争 对手，并得到了越来越广泛的 应用。◢
三 种 基 本
RB
E T1 C
RL
B
U EB
U CB
U CC
U BB
IIC BIEI CIC1 IC IC /I/E IE1
电
（b）共基极电I路c
路
C
β称为共射极电路的电流放大倍数。若接
RB B
T1
UCE
UCC 近于1，则β的数值会很大 ,它反映了BJT
E
UBB
RL
的放大能力，就是用较小的基极电流IB可 以控制大的集电极电流IC
（c）共集电极电路
BJT共发射极电路的输出特性
图1-10 BJT共发射极电路的 输出特性
◤该图表示集电极电流IC 与集射极电压UCE的 关系，其参变量为IB，特性上的四个区域反映 了BJT的四种工作状态。◢
◤在晶体管关断状态时，基极电流IB＝0，集 电极发射极间电压即使很高，但发射结与集电 结均处于反向偏置，即UBE≤0，UBC<0，发射结 不注入电子，仅有很少的漏电流流过，在特性 上对应于截止区（I区），相当于处于关断状 态的开关。 ◢
功率晶体管BJT一般是指壳温为25℃时功耗 大于1W的晶体管
图1-7 集电极耐压与单位发射面积电流密度 关系
1.3.2 工作原理及输出特性
Ic
RL
图 1
C
RB B
T1
UCE
UBE
E
UCC
α IC / IE
- BJT
8
UBB
（a）共发射极电路
α 系数 是共基极电路的电流放大倍
U CE
数，亦称电流传输比
图1-25 IGBT的结构剖面图
图1-26 IGBT简化等效电路及信号
◤绝缘栅极双极型晶体管简称IGBT, ◤由结构图可以看出，IGBT相当于一个由 它将功率MOSFET与BJT的优点集于 MOSFET驱动的厚基区BJT，其简化等效电路如
限制问题，它有较好的安全工作区（SOA） ◢
◤图1-24是型号为MTM 4N 50(500V, 4A)的
MOSFET的安全工作区，它分最大额定开关安全工
{ID(T)c}A{ID(25C}A1{{T P C D }R C θjc}2 C5
作区和最大额定正向偏置安全工作区两种。 ◢
1．4．4 MOSFET的基本参数
电流 设 IC
I5CA，0，则即T 1截的止管时耗的I管C U 耗CP E TIC 1 (U 0C C 。IC 如R L )果5 T 1(5 工作 0 5 在5 线) 性7放W 5 。大状态时，
1.2 功率二极管
• 1.2.1 二极管工作 原理与伏安特性
• 它具单向导电性
• 当外加正向电压（P区加正、 N区加负）时，PN结导通，形 成电流
零偏二次击穿触发功率 PSB 0ISB 0USB 0
次击穿的时间延迟，称为触发时间。意味 着BJT工作点进入一次击穿区时，并不立
即产生二次击穿，而要有一个触发时间。
正偏二次击穿触发功率 PSBFISBU FSBF当加在BJT上的能量超过临界值（触发能
量）时，才产生二次击穿，也就是说二次
击穿需要能量。◢
◤ td为延迟时间，表示从加入驱动脉冲，到 集电极电流上升到0.1ICsa所需要的时间 tr为 上升时间，表示集电极电流从0.1ICsa上升到 0.9ICsa所需要的时间。◢
◤ toff叫关断时间，表示BJT由导通状态过渡 到截止状态所需要的时间。它由存贮时间ts 和下降时间tf组成，toff = ts + tf。 ◢ ◤ ts为存贮时间，表示输入脉冲由正跳变到 零时刻开始，直到集电极电流下降到0.9ICsa 所需要的时间。 ◢
（四）开关特性
UDS 90%
图1-22 MOSFET各端点之间的电容
◤ MOSFET各极之间的结电容由其物
理结构所决定，金属氧化膜的栅极结 构决定了栅漏之间的结电容Cgd和栅源 之间的结电容Cgs，MOSFET的PN结形成
◢ 了漏源间的结电容Cds。
◤图1-22表示了MOSFET的输入电容
Ciss、输出电容Coss和反向传输电容
Ic RL
C
Rb B
T1
U CE
U CC
E
• 但需要指出的是，电力半导体器件在
开关状态转换过程时并不是瞬时完成
的（所需时间称开关时间），而是要
图1-1：简单的bjt电路
经过一个转换过程（称开关过程）
•例如，图1-1所示电路中 RL 5 ，UCC 50V，当工作在饱和导通状态时管
压降，UCE0.3V ，T 1 的管耗 PT1ICUCE (U C/C R L ) U C E 1 0 0 .3 3 W ，T 1 截止的漏
图1-24 MTM 4N 50的安全工作区
化，图1-29 b）表示的是温度为25℃时的
（a）最大额定开关安全工作区；
正向偏置安全工作区。 ◢ ◤在任一温度
（b）最大额定正偏安全工作区
下，某一工作电压的允许电流可通过下列
等式算出：
◤由于电流具有随温度上升而下降的负反馈效
应，因而MOSFET中不存在电流集中和二次击穿的
第1章 电力半导体器件
1.1 电力半导体器件种类与特点 1.2 功率二极管 1.3 功率晶体管 1.4 功率场效应管 1.5 绝缘栅极双极型晶体管 1.6 晶闸管 1.7 晶闸管的派生器件 1.8 主要电力半导体器件特性比较
1.1 电力半导体器件种类与特点
1.1.1 半导体器件分类
从功率等级来分类 有微功率器件、小功率器件、大功率器件等等
◤当发射结处于正向偏置而集电结仍为反向偏 置时，即UBE>0，UBC<0，随着IB增加，集电极 电流IC线性增大，晶体管呈放大状态，特性上
对应线性放大区（II区）。◢
◤当基极电流IB>（IC /β）时，晶体管就充分 饱和了。这时发射结和集电结都是正向偏置， 即UBE>0，UBC>0，电流增益和导通压降UCE均达 到最小值，BJT进入饱和区（IV区）。BJT工作 在饱和区，相当于处于导通状态的开关。◢
图1-16 不同工作状态下BJT的安全工作区 （a）正向偏置安全工作区； （b）反向偏置安全工作区
图1-15 BJT的安全工作区
◤从图1-16可以看出BJT的反向偏置安全 工作区比正偏时大得多◢
◤可以在元件关断瞬间，想办法使元件真 正置于反偏工作状态，即对BJT基极驱动 电路，在元件截止时，施加负的基射极电 压。 来利用反偏安全工作区的特性 ◢
◢ Crss与结电容之间的关系。
10%
UGS
t t d(on)
r
t t d(off)
f
图1-23 开关特性测试电路与波形
➢td(on)：开通延迟时间 ➢tr：上升时间 ➢ td(off) ：关断延迟时间， ➢tf ：下降时间
tontd(on) tr
tofftd(of)f tf
1.4.3 MOSFET安全工作区
（二）BJT的安全工作区（SOA）
◤ BJT工作的安全范围由图1-15所示 的几条曲线限定：①集电极最大允许 直流电流线ICM，由集电极允许承受的 最大电流决定；②集电极允许最高电 压UCE0，由雪崩击穿决定；③集电极 直流功率耗散线PCM ，由热阻决定； ④二次击穿临界线PSB，由二次击穿触 发功率决定。◢
二极管关断过程的波形
研究二极管关断过程的电路
• 关断过程的三个时间段。
• 反相恢复时间，反相恢 复电流。
1.3
功率晶体管
BJT是一种双极型半导体器件，即其 内部电流由电子和空穴两种载流子形 成。基本结构有NPN和PNP两种。
为了提高BJT耐压，一般采用NPvN三 重扩散结构（图1-6）。
图1-6 BJT内部结构与元件符号 （a）BJT内部结构； （b）元件符号
制造材料分类 有锗管、硅管等等
从导电机理分类 有双极型器件、单极型器件、混合型器件等等
从控制方式来分类 可分为不可控器件、半可控器件和全可控器件三类器件
1.1.2 电力半导体器件使用特点
• 电力半导体器件稳态时通常工作在饱 和导通与截止两种工作状态。
• 饱和导通时，器件压降很小，而截止 时它的漏电流小得可以忽略，这样在 饱和导通与截止两种工作状态下的损 耗都很小，器件近似于理想的开关
gFSdD I/dU GS
◤ U GS＝10V之后，MOSFET的ID由外电路
限制了。因此工作在开关状态的MOSFET
正向驱动电压Ug≈10V。 ◢
图1-21 功率MOSFET输出特性
◤输出特性可以分为三个区 域 :可调电阻区I，饱和区II和 雪崩区III ◢
1.4.2 （三）MOSFET的电容
MOSFET的基本特性
• 二极管外加反向偏压（P区加 负、N区加正）时,所以反向 电流非常小.
• 二极管的伏安特性如图1-3所 示。
图1-2二极管耗尽层与少数载流子浓度 分布
图1-3二极管伏安特性
1.2.2 功率二极管开关特性
功率二极管开通时 间很短，一般可以忽略 不计，但二极管的关断 过程较复杂，对电路的 影响不能忽视。
图1-19 功率场效应管结构图 （a）“T”MOSFET； （b）“V”－MOSFET
1.4.2 1；转移特性
MOSFET的基本特性 （二）输出特性
图1-20 N沟道型MOSFET的转移特性