功率半导体器件
SiC功率半导体器件的优势和发展前景
SiC功率半导体器件的优势和发展前景SiC（碳化硅）功率半导体器件是一种新兴的半导体材料，具有许多优势和广阔的发展前景。
以下是SiC功率半导体器件的优势和发展前景。
1.高温工作能力：与传统的硅功率半导体器件相比，SiC器件能够在高温环境下工作，其工作温度可达到300摄氏度以上。
这使得SiC器件在航空航天、军事装备和汽车等应用领域具有巨大的潜力。
2.高电压耐受能力：SiC器件具有更高的击穿电场强度和较低的导通电阻，可以实现更高的电压耐受能力。
这使得SiC器件在高压和高电场应用中具有优势，如电力电子转换、电力传输和分配、电网充放电和电动车充电等。
3.高频特性：由于SiC材料的电子迁移率和终端速度较高，SiC器件具有优秀的高频特性。
这使得SiC器件在高频交流/直流转换器和射频功率放大器中具有广泛的应用。
4.低导通和开启损耗：SiC材料的电阻率较低，电流密度较大。
这导致SiC器件在导通过程中的能耗更低，进而减少了开关损耗。
相对于硅器件，SiC器件具有更高的效率和更小的温升。
这使得SiC器件在能源转换和电源管理领域具有潜在的应用前景。
5.小体积和轻量化：SiC器件的小体积和轻量化特性，使得其在高功率密度应用和紧凑空间条件下的应用更具优势。
这对于电动汽车、风力和太阳能发电系统、飞机和船舶等领域都有重要意义。
6.高可靠性和长寿命：由于SiC器件的抗辐射、抗高温、耐压击穿和抗电荷扩散等特性，它具有较高的可靠性和长寿命。
这对于军事装备、航空航天和核电等关键领域的应用具有重要意义。
SiC功率半导体器件的发展前景广阔。
随着科技的不断进步和物联网的快速发展，对于功率器件的要求愈发严苛。
在电力转换、能源管理和电动汽车等领域，对功率器件的需求将进一步增加，而SiC器件作为一种高温、高电压和高频特性都优异的功率半导体器件，将有望取代传统的硅器件，成为未来功率电子的主流。
此外，随着SiC材料的制备工艺和工艺技术的不断改进，SiC器件的成本也在逐渐下降。
功率半导体器件要点
功率半导体器件要点功率半导体器件是指用于控制和转换电力的半导体器件，其具有承载高电流和高电压的特点。
在电力电子领域中，功率半导体器件广泛应用于电力变换、传输和控制系统中，起到关键的作用。
本文将重点介绍功率半导体器件的要点，包括常见的功率半导体器件类型、特性与工作原理、应用领域和发展趋势等方面。
1.常见的功率半导体器件类型常见的功率半导体器件包括功率二极管、功率晶体管、功率场效应管（MOSFET）、可控硅（SCR）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）等。
每种器件都有自己特殊的工作原理、结构和性能特点，适用于不同的应用场合。
2.功率半导体器件的特性与工作原理不同类型的功率半导体器件具有不同的特性和工作原理。
例如，功率二极管通常用作电流开关和快速恢复整流器，其主要特点是低电压降、快速开关速度和高导通电流能力。
功率晶体管在电力放大和开关电路中广泛使用，具有高功率放大能力和较高的开关速度。
功率场效应管主要有MOSFET和IGBT两种类型，其特点是低输入阻抗、高开关速度和较低的控制电压。
可控硅主要用于交流电控制和直流电开关，其工作原理是通过施加门极电压来控制器件的导通。
3.功率半导体器件的应用领域功率半导体器件在电力电子领域有广泛的应用。
例如，功率二极管通常用于电源、电机驱动和变频器等电路中。
功率晶体管广泛应用于功率放大、开关和变换器等电路。
功率场效应管主要用于集成电路和电力开关等领域。
可控硅被广泛应用于交流变频器、电动机起动和照明控制等场合。
绝缘栅双极晶体管（IGBT）结合了晶体管和可控硅的特点，逐渐成为高功率应用的主流器件。
4.功率半导体器件的发展趋势随着电力电子的广泛应用和需求的增加，功率半导体器件面临着高功率、高频率、高效率和小型化等方面的挑战。
近年来，功率半导体器件在结构设计、材料改进和工艺制造等方面取得了重大进展。
新型材料如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的应用，使功率半导体器件具有更高的工作温度、更高的开关速度和更低的导通电阻。
第十五章 半导体功率器件
α2Ig + ICO1 +ICO2 IA = 1− α1 +α2） （
Figure 15.27
• 栅控电流是作为空穴的漂移电流而流进p2区的。多余的空 穴提高了P2区的电势，同时也增加了npn晶体管B-E结的正 偏电压以及晶体管的α1， npn晶体管的效应增加会增加集 电极电流IC2，而IC2的增加又会使pnp晶体管的效应提高， 于是整个pnpn器件从关态过度到低阻的导通态。 • 用于使SCR导通的栅控电流是mA量级，即小电流就能开启 SCR。 • 开启后，栅电流可以关断，但SCR仍处于导通状态
Figure 15.1 典型垂直式npn功率BJT的横截面图 典型垂直式npn功率 功率BJT的横截面图
电流集边效应 BJT的梳状结构
15.1.2 功率晶体管的特性
• 功率BJT与普通BJT比较： 1. 电流增益 β小。（原因基区宽度大） 2. 截止频率低。（原因器件尺寸大，结电容大） 3. 最大额定电流IC,MAX: 使功率BJT保持正常工作的 最大允许电流。与此相关的因素有： （1）连接半导体与外部电极的导线所能承受的最 大电流 （2）电流增益下降到某一最小值以下的集电极 （3）晶体管在饱和状态达到最大功耗时的电流
第十五章 半导体功率器件
15.1 功率双极晶体管
15.1.1 垂直式功率晶体管的结构 15.1.2 功率晶体管的特性 15.1.3 达林顿组态
15.1.1 垂直式功率晶体管的结构
对于功率晶体管，必须考虑晶体管的几何尺寸、结构，最 大额定电力、最大额定电压和最大额定功率 1. 2. 3. 4. C极的位置：普通的BJT，C极可在表面，功率BJT，C 极在器 件底部，这样使电流流过的横截面最大化 C极掺杂浓度：由低掺杂和重掺杂两个区共同组成，低 掺杂区提高击穿电压，重掺杂区减小集电极串联电阻 基区的宽度：功率BJT的基区宽度比普通BJT的基区宽 度宽，目的防止基区穿通，但导致电流增益减小。 几何尺寸大，发射极和基极作成梳状结构，减少电流集 边效应
第一章功率半导体器件
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。
功率半导体器件.
(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:
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
பைடு நூலகம்2qN 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
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
IC1 M (1I E1 IC 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
功率半导体器件基础知识讲解
理想伏安特性
2024年1月2日
导通过程
0
vAK
反向阻断
正向阻断
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第二章 功率半导体器件
晶闸管
现代电力电子技术原理与应用
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第二章 功率半导体器件
螺栓型晶闸管外观
现代电力电子技术原理与应用
2024年1月2日
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第二章 功率半导体器件
螺栓型晶闸管外观
现代电力电子技术原理与应用
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现代电力电子技术原理与应用
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第二章 功率半导体器件
常用全控型电力电子器件
现代电力电子技术原理与应用
• 功率晶体管（巨型晶体管，BJT，GTR） • 金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET） • 绝缘栅型双极型晶体管（IGBT） • 门极可关断晶闸管（GTO） • ……
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功率半导体器件基础知识讲解
第二章 功率半导体器件
理想的开关器件
现代电力电子技术原理与应用
• 关断时可承受正、反向电压（越高越好） • 开通时可流过正、反向电流（越大越好） • 开通态、关断态均无损耗 • 状态转换过程无损耗 • 状态转换过程快速完成（越快越好） • 开关寿命长（允许的开关次数越多越好）
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第二章 功率半导体器件
现代电力电子技术原理与应用
电路中开关器件符号的处理：进一步简化
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第二章 功率半导体器件
现代电力电子技术原理与应用
电路中开关器件符号的处理：抽象化
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第二章 功率半导体器件
功率半导体的优劣势分析-功率半导体器件用途功率半导体器件概述
功率半导体的优劣势分析_功率半导体器件用途功率半导体器件概述电力电子器件（PowerElectronicDevice）又称为功率半导体器件，主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面大功率的电子器件（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）。
功率半导体器件分类按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度分类：1.半控型器件，例如晶闸管；2.全控型器件，例如GTO（门极可关断晶闸管）、GTR（电力晶体管），MOSFET（电力场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅双极晶体管）；3.不可控器件，例如电力二极管；按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质分类：1.电压驱动型器件，例如IGBT、MOSFET、SITH（静电感应晶闸管）；2.电流驱动型器件，例如晶闸管、GTO、GTR；根据驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的有效信号波形分类：1.脉冲触发型，例如晶闸管、GTO；2.电子控制型，例如GTR、MOSFET、IGBT；按照电力电子器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分类：1.双极型器件，例如电力二极管、晶闸管、GTO、GTR；2.单极型器件，例如MOSFET、SIT；3.复合型器件，例如MCT（MOS控制晶闸管）、IGBT、SITH和IGCT；功率半导体器件优缺点分析电力二极管：结构和原理简单，工作可靠；晶闸管：承受电压和电流容量在所有器件中最高IGBT：开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小；缺点：开关速度低于电力MOSFET，电压，电流容量不及GTOGTR：耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低；缺点：开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题GTO：电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强；缺点：电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低MOSFET：开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题；缺点：电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。
13种常用的功率半导体器件介绍
13种常用的功率半导体器件介绍电力电子器件（Power Electronic Device），又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控制电路中的大功率（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）电子器件。
可以分为半控型器件、全控型器件和不可控型器件，其中晶闸管为半控型器件，承受电压和电流容量在所有器件中最高；电力二极管为不可控器件，结构和原理简单，工作可靠；还可以分为电压驱动型器件和电流驱动型器件，其中GTO、GTR为电流驱动型器件，IGBT、电力MOSFET为电压驱动型器件。
1. MCT （MOS Control led Thyristor）：MOS控制晶闸管MCT 是一种新型MOS 与双极复合型器件。
如上图所示。
MCT是将MOSFET 的高阻抗、低驱动图MCT 的功率、快开关速度的特性与晶闸管的高压、大电流特型结合在一起，形成大功率、高压、快速全控型器件。
实质上MCT 是一个MOS 门极控制的晶闸管。
它可在门极上加一窄脉冲使其导通或关断，它由无数单胞并联而成。
它与GTR，MOSFET，IGBT，GTO 等器件相比，有如下优点：（1）电压高、电流容量大，阻断电压已达3 000V，峰值电流达1 000 A，最大可关断电流密度为6000kA/m2；（2）通态压降小、损耗小，通态压降约为11V；（3）极高的dv/dt和di/dt耐量，dv/dt已达20 kV/s ，di/dt为2 kA/s；（4）开关速度快，开关损耗小，开通时间约200ns，1 000 V 器件可在2 s 内关断；2. IGCT（Intergrated Gate Commutated Thyristors）IGCT 是在晶闸管技术的基础上结合IGBT 和GTO 等技术开发的新型器件，适用于高压大容量变频系统中，是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。
IGCT 是将GTO 芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点。
功率半导体器件简介演示
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目 录
• 功率半导体器件概述 • 功率二极管 • 功率晶体管 • 功率场效应管 • 功率半导体器件的制造工艺流程 • 功率半导体器件的发展趋势和市场前景
01
功率半导体器件概述
功率半导体器件的定义
功率半导体器件是一种用于电能转换和控制的重要电子器件，它能够实现电能的 转换、控制和放大等功能。
新能源汽车及充电设施需 求
新能源汽车及充电设施的快速发展，对功率 半导体器件的需求不断增加，同时对功率半 导体器件的性能和可靠性也提出了更高的要
求，如高耐压、高效率、高可靠性等。
国际竞争加剧市场整合
国际巨头垄断市场
全球功率半导体市场主要由国际巨头所 垄断，如美国德州仪器（TI）、美国英特 尔（Intel）、日本富士通（Fujitsu）等 ，这些企业在技术研发、品牌和市场渠 道等方面具有较大优势，占据了市场的 主要份额。
金属电极
在PN结上添加两个金属电 极，一个是阳极，另一个 是阴极。
封装
将PN结和金属电极封装在 固体介质中，以保护其免 受环境影响。
功率二极管的特性
伏安特性
功率二极管的伏安特性曲线展示其电 压与电流之间的关系。
反向恢复时间
功率二极管在从一个状态转换到另一 个状态所需的时间。
额定电流
在规定温度下，二极管能够安全通过 的最大电流。
VS
国内企业逐步崛起
随着国内电子信息技术的发展，国内功率 半导体企业逐渐崛起，如中国电子科技集 团公司（CETC）、杭州士兰微电子股份 有限公司（Silan）等，这些企业在国家 政策支持和技术积累下，逐渐提升自身技 术水平和产品质量，逐步扩大市场份额。
THANKS
功率半导体是什么
功率半导体是什么一、引言功率半导体是一种广泛应用于电力电子领域的器件，它发挥着至关重要的作用。
功率半导体的发展在当代科技领域具有重要意义，本文将深入探讨功率半导体的定义、类型、工作原理等方面。
二、功率半导体的定义功率半导体是一种能承受较高电压和电流的半导体器件。
它在电力电子领域中扮演着控制和调节电能的重要角色。
功率半导体通常承受较大功率损耗，因此要求具备较高的功率密度。
三、功率半导体的主要类型1. 二极管二极管是功率半导体器件的一种，用于整流和开关电路中。
它具有导通压降低、反向耐压高的优点，在电源、变频器等系统中得到广泛应用。
2. MOSFET金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）是一种常见的功率半导体器件，具有功率损耗小、开关速度快、控制电压低等特点，被广泛应用于电力电子设备中。
3. IGBT绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是功率半导体中的重要类型，具有开关速度快、控制电压低、功率密度高等优势，在变频器、逆变器等设备中发挥着重要作用。
四、功率半导体的工作原理功率半导体器件的工作原理是通过控制电压和电流的导通和截止，实现对电能的调节和控制。
不同类型的功率半导体器件具有不同的工作原理，但都是基于半导体材料的特性实现电能转换。
五、功率半导体的应用领域功率半导体广泛应用于电力系统、工业自动化、交通运输等领域。
在工业生产和生活中，功率半导体的应用为设备的高效运行、能源的节约提供了重要支持。
六、结论功率半导体作为电力电子领域的重要组成部分，其在现代科技和工业中的应用越发广泛。
通过本文的介绍，希望读者对功率半导体有更深入的了解，进一步推动功率半导体技术的发展和应用。
功率器件简要介绍
一功率半导体简介功率半导体器件种类很多,器件不同特性决定了它们不同得应用范围,常用半导体器件得特性如下三图所示。
目前来说,最常用得功率半导体器件为功率MOSFET与IGBT。
总得来说,MOSFET得输出功率小,工作频率高,但由于它导通电阻大得缘故,功耗也大。
但它得功耗随工作频率增加幅度变化很小,故MOSFET更适合于高频场合,主要应用于计算机、消费电子、网络通信、汽车电子、工业控制与电力设备领域。
IGBT得输出功率一般10KW~1000KW之间,低频时功耗小,但随着工作频率得增加,开关损耗急剧上升,使得它得工作频率不可能高于功率MOSFET,IGBT主要应用于通信、工业、医疗、家电、照明、交通、新能源、半导体生产设备、航空航天以及国防等领域。
图1、1 功率半导体器件得工作频率范围及其功率控制容量图1、2 功率半导体器件工作频率及电压范围图1、3 功率半导体器件工作频率及电流范围二不同结构得功率MOSFET特性介绍功率MOSFET得优点主要有驱动功率小、驱动电路简单、开关速度快、工作频率高,随着工艺得日渐成熟、制造成本越来越低,功率MOSFET应用范围越来越广泛。
我们下面主要介绍一些不同结构得MOSFET得特性。
VVMOSFET图2、1 VVMOS结构示意图VVMOS采用各向异性腐蚀在硅表面制作V 形槽,V形槽穿透P与N+连续扩散得表面,槽得角度由硅得晶体结构决定,而器件沟道长度取决于连续扩散得深度。
在这种结构中,表面沟道由V 形槽中得栅电压控制,电子从表面沟道出来后乡下流到漏区。
由于存在这样一个轻掺杂得漂移区且电流向下流动,可以提高耐压而并不消耗表面得面积。
这种结构提高了硅片得利用率,器件得频率特性得到很大得改善。
同时存在下列问题:1,V形槽面之下沟道中得电子迁移率降低;2,在V槽得顶端存在很强得电场,严重影响器件击穿电压得提高;3,器件导通电阻很大;4,V槽得腐蚀不易控制,栅氧暴露,易受离子玷污,造成阈值电压不稳定,可靠性下降。
浅谈功率半导体器件
浅谈功率半导体器件功率半导体器件是现代电力系统和电子设备中必不可少的关键部件。
它们具有很高的开关速度、低开关损耗和高压电容，并且能够承受高功率和高电压。
功率半导体器件的发展对提高能源利用率、降低能源消耗、提高电子设备的性能等方面起到了重要作用。
本文将从功率半导体器件的定义、分类、主要特点、应用领域以及未来发展趋势等方面进行浅谈。
一、功率半导体器件的定义与分类功率半导体器件是指能够承受较大功率和电压的半导体器件，其主要用于电能的转换和控制。
根据其工作原理和结构特点，功率半导体器件可以分为二极管、晶体管、场效应管、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）等不同类型。
二、功率半导体器件的主要特点1.快速开关速度：功率半导体器件具有很高的开关速度，能够迅速切换电流，有效减小了能源的损耗，提高了设备的性能。
2.低开关损耗：功率半导体器件具有较低的开关损耗，能够减少能量的损耗，提高电能的利用效率。
3.高压电容：功率半导体器件能够承受较高的电压，满足电力系统和电子设备对高电压的需求。
4.高耐压能力：功率半导体器件能够承受较大的功率，具有较高的耐压能力，保证了设备的稳定工作。
5.耐温性能好：功率半导体器件能够在高温环境下工作，适应各种恶劣的工作环境。
三、功率半导体器件的应用领域1.电力系统：功率半导体器件在电力系统中被广泛应用，如电力电子变换器、交流传动系统和直流输电等。
2.工业控制：功率半导体器件在工业控制领域中被广泛应用，如驱动系统、温度控制系统和电动机控制等。
3.照明领域：功率半导体器件可以用于高亮度的LED照明，替代传统的白炽灯、荧光灯等传统照明设备。
4.电动车辆：功率半导体器件在电动车辆中起到了关键作用，如电机驱动、电池管理、充电系统等。
四、功率半导体器件的未来发展趋势1.集成化：功率半导体器件将趋向于集成化，尽可能将多个功能集成到一个芯片中，以提高器件的性能和可靠性。
功率半导体器件
4 学习要点
◆按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其 它新型器件的顺序，分别介绍各种功率半导体器件的工作 原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一 些问题。
■学习要点
◆最重要的是掌握其基本特性。
◆掌握功率半导体器件的型号命名法，以及其参数和特 性曲线的使用方法。
4
2 应用功率半导体器件的系统组成
■功率半导体器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱 动
电路和以功率半导体器件为核心的主电路组成一个系统。
检测
控
电路
制
保护
电
电路
路
驱动
V1 LR
V2
主电路
电路
电气隔离
图2-1 功率半导体器件在实际应用中的系统组成
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3 功率半导体器件的分类
■按能够被控制电路信号所控制的程度 ◆不可控器件 ☞功率二极管（Power Diode） ☞不能用控制信号来控制其通断。 ◆半控型器件 ☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器
◆ PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电 压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为 截止的工作状态，这就叫反向击穿。
☞按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式 。 ☞反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一 定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。 ☞否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。
◆为减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在 开关状态。
◆由电子电路来控制 ,而且需要驱动电路。
◆自身的功率损耗通常仍远大于电子器件，在其 工作时一般都需要安装散热器。
3
1.功率半导体器件的概念和特征
☞功率半导体器件的功率损耗 通态损耗
功率半导体器件
1 功率半导体器件的概念和特征 2 应用功率半导体器件的系统组成 3 功率半导体器件的分类
1
1.功率半导体器件的概念和特征
■功率半导体器件的概念 ◆功率半导体器件（Power Electronic Device） 是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能 的变换或控制的电子器件，也称为电力单子器件。 ☞主电路：在电气设备或功率系统中，直接承 担电能的变换或控制任务的电路。 ☞广义上功率半导体器件可分为电真空器件和 半导体器件两类，目前往往专指功率半导体器件。
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2 功率二极管的基本特性
■静态特性 ◆主要是指其伏安特性 ◆正向电压大到一定值（门槛 电压UTO ），正向电流才开始 明显增加，处于稳定导通状态。 与IF对应的功率二极管两端的 电压即为其正向电压降UF。 ◆承受反向电压时，只有少子 引起的微小而数值恒定的反向 漏电流。
检测 电路 保护 电路 驱动 电路
电气隔离
图2-1 功率半导体器件在实际应用中的系统组成 5
V 1 L V 2 R
控 制 电 路
主电路
3 功率半导体器件的分类
■按照能够被控制电路信号所控制的程度 ◆不可控器件 ☞功率二极管（Power Diode） ☞不能用控制信号来控制其通断。 ◆半控型器件 ☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。 ☞器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流 决定的。 ◆全控型器件 ☞目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 ☞通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。
3
1.功率半导体器件的概念和特征
☞功率半导体器件的功率损耗 通态损耗
断态损耗 开通损耗 开关损耗 关断损耗
☞通态损耗是功率半导体器件功率损耗的主要成 因。 ☞当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增 大而可能成为器件功率损耗的主要因素。
常见功率半导体器件及其主要特点
常见功率半导体器件及其主要特点一、概述功率半导体器件是现代电子电气设备中不可或缺的组成部分，它承担着电能的调节、放大和转换任务。
在众多功率半导体器件中，普遍应用的包括晶闸管、场效应管、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、功率二极管等。
这些器件各自具有不同的特点和应用范围，下文将对其进行详细介绍。
二、晶闸管晶闸管是最早出现的功率半导体器件之一，其主要特点包括：1. 器件结构简单，工作可靠。
2. 具有单向导电性。
3. 具有双向触发能力。
4. 适用于高压、大电流场合。
5. 效率高、损耗小。
晶闸管广泛应用于直流调速、大功率变频器、交流电能控制等领域。
三、场效应管场效应管又称为MOSFET，其主要特点包括：1. 体积小、重量轻。
2. 导通电阻小、功率损耗小。
3. 开关速度快、可靠性高。
4. 控制电路简单、使用方便。
场效应管广泛应用于开关电源、电力电子设备、汽车电子系统等领域。
四、绝缘栅双极晶体管（IGBT）IGBT是由绝缘栅双极晶体管和场效应管结合而成的器件，其主要特点包括：1. 具有MOSFET的输入特性和GTR的输出特性。
2. 导通压降低、导通电阻小。
3. 具有高开关速度。
4. 具有大功率、高频率的特点。
IGBT广泛应用于变频调速、逆变器、电动汽车驱动等领域。
五、功率二极管功率二极管是一种常见的半导体器件，其主要特点包括：1. 低开启电压、低通态电压降。
2. 热稳定性好、动态特性好。
3. 寿命长、可靠性高。
4. 具有快速恢复特性。
功率二极管广泛应用于整流器、逆变器、交流稳压电源等领域。
六、结语功率半导体器件在现代工业生产和生活中发挥着重要作用，不同的器件具有不同的特点和应用范围，能够满足各种电能调节、转换的需求。
随着科技的不断发展，功率半导体器件的性能和应用范围将会不断扩大，为人类创造更加便利和高效的生活和工作环境。
七、功率半导体器件的发展趋势随着现代电子技术的发展和能源的需求不断增长，功率半导体器件的应用也愈发广泛。
半导体功率器件
《半导体功率器件与智能功率IC 》1、功率半导体器件的定义：能够管理并处理电导功率的半导体器件。
包括功率放大、功率管理，电压、电流、频率率转换。
通常功率半导体器件可以分为功率分立器件和功率IC 器件。
分立器件执行一个单一的功能（还可以分为功率整流器和功率开关器件）；功率集成电路（IC 器件）是指集成多个功率器件由一个电路控制。
智能功率IC 是“带有数字功能的功率IC 器件”，在芯片上拥有智力和力量。
2、理想的功率转换器应该是零导通电压下降、零反偏电压泄露并且能瞬间控制这两种转台之间的变化。
理想开关器件应该是由一定阻抗、感应的并且电容性的，并且能够限制传导电流在应用到栅电极信号控制下得电流流动方向。
3、发生在实际pn 结中两种主要的击穿机制：齐纳击穿和雪崩击穿（大多数常见PN 结）。
4、碰撞电离系数：电子（空穴）沿着电场方向在耗尽层通过1cm 时所产生的电子-空穴对数目。
exp(/)n n n a b E α=∙- exp(/)p p p a b E α=∙-。
式中a ，b 都是已知常数，只有E 是电压待测。
值得注意的是该系数随E 增加而快速增长。
该碰撞电离系数的是3571.810(1/)n pE cm ααα-===⨯。
E 代表电场。
此外在制定电场时，该碰撞电离系数随温度增加而下降。
5、空穴倍增系数：'00()1,1exp[()](0)d x x p d p p p n p p J x M dx dx J M ααα=-=--⎰⎰ 电子倍增系数：'0(0)1,1exp[()]()d d x x n n n n p n d N x J M dx dx J x M ααα=-=--⎰⎰。
6、雪崩击穿条件：倍增系数M （电子或空穴）趋近于无穷大时的电压。
所有上面5中俩式子积分为1即为雪崩击穿条件。
7、平面扩散结的击穿发生在边缘较多，而很少发生在平面部分。
在扩散窗户边缘形成了一个柱面电路，并在4个角落形成球面轮廓。
几种常用的功率器件(电力半导体)及其应用
目录
• 引言 • 几种常用功率器件介绍 • 电力半导体器件工作原理及特性 • 几种常用功率器件应用领域探讨 • 选型指南与使用注意事项 • 总结与展望
01
引言
背景与意义
功率器件是电力电子 技术的核心，广泛应 用于能源、交通、工 业等领域
功率器件的性能和可 靠性对电力电子系统 的效率和稳定性具有 重要影响
随着新能源、电动汽 车等产业的快速发展， 功率器件的需求不断 增长
功率器件概述
1
功率器件是一种能够控制、转换和传输电能的半 导体器件
2
主要类型包括二极管、晶体管、晶闸管、 MOSFET、IGBT等
3
功率器件具有耐压高、耐流大、开关速度快等特 点，是实现电力电子变换的关键元件
02
几种常用功率器件介绍
注意器件的开关顺序和时序
不正确的开关顺序或时序可能会导致电路故障或器件损坏。
确保良好的散热条件
功率器件在工作时会产生热量，需要确保良好的散热条件以防止器件 过热损坏。
06
总结与展望
回顾本次项目成果
深入研究了几种常用的功率器件(电力半导体)的工作原理和特性，包括晶 闸管、可关断晶闸管、电力晶体管、绝缘栅双极晶体管等。
描述器件在异常工作条件下的承受能力， 如过压、过流、过热等保护功能，确保器 件在恶劣环境下能够安全运行。
04
几种常用功率器件应用领 域探讨
电源供应器与适配器
开关电源
功率器件如MOSFET和IGBT在开 关电源中起到关键作用，实现高 效能、小体积的电源设计。
适配器
功率器件用于电压转换和电流控 制，使得适配器能够为各种设备 提供稳定的电源。
功率半导体器件发展概述
功率半导体器件发展概述
原创
近几十年来，随着半导体技术及其相关应用的快速发展，半导体器件的性能也在不断提升。
首先，高功率半导体器件是指采用半导体材料制造的器件，其最大功率能力达到千瓦以上，能够满足电子设备发电、传输、控制等各种高功率应用需求。
高功率半导体器件在现代电子产品中有着越来越重要的地位，功率晶体管、功率MOSFET、IGBT、SCR、二极管、交流电动机控制器等是最重要的几种高功率半导体器件。
这些器件在现代社会发挥了重要作用，参与设计了大功率的电子设备和装置，如电源、励磁技术、变频装置、UPS等，有效地改善了电子设备的性能，为现代电子设备及相关应用提供了有效的支持。
高功率半导体器件的发展历程可以追溯到上世纪50年代，当时科学家发明出了可调谐晶体管和功率晶体管，但其最大功率并不能达到千瓦。
在1960年，科学家又发明出功率MOSFET，用于高功率电子设备设计，从而有效降低了设备整体尺寸，加快了技术迭代速度。
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3.使用具有高击穿电场的材料，如SiC，GaN
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
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
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 Ec2
2qND
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
间快的转换速度
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:
由电中性条件得到： 流过集电结的空穴和电子电流为： 电子电流可以被忽略，所以集电极电场 流过集电结的电子电流为：
少子在N-drift区的分布：
N-drift区少子与基-集结偏压的关系为： N-drift区压降为： 由于： 将VBCJ和VD表达式代入上式得到：
饱和区
一旦有上述二次方程求的pNS(0)，即可VD
(2.7)
同样道理，在 N/P+ 阳极处(x = −d),电流主要由空穴承载:
(2.8)
(2.9) (2.10)来自利用 (2.8), 空穴电流为 方程(2.7)中总电子电流在该处的值为 同样可得到空穴电流
(2.11) (2.12)
(2.13) (2.14) (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)
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)
稳态条件下，总电流是电子和空穴电流之和且为常数：
(2.18) (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
电导率调制效应：J n R 1/ n
d / La 2
d / La 2
VM 与J无关
(2.21)
(2.22) (2.23)
开态压降
开态压降(正向压降)是三项之和:
VF VP VN VM
(2.24)
VP
VN
K0
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
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)
(2.1)
在N-漂移区中运用连续性方程:
(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
(2.2)
方程 (2.2)X ( p p) ，(2.3)X (nn ) 得到
稳态条件下 (2.4) 应该为 上式中利用了双极扩散系数：
(2.4) (2.5) (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:
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：
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：
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
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)