功率半导体器件

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)
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：
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:
(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)
Fra Baidu bibliotek
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:
(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)
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
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
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)
(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
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：
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
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
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
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