电力半导体器件

随着科学技术的发展及功率集成制造技术 的日趋完善，电力电子技术具有广阔的发 展前景。本章将详细介绍快恢复二极管、 晶闸管（SCR）、双极型晶体管、功率场效 应晶体管（MOSFET）、和绝缘栅双极型晶 体管（IGBT）的性能、参数、工作原理及 驱动技术。
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§3.2功率二极管
P型半导体和N型半导体是两种导电类型的半导体材 料，通过某种工艺方法将两种半导体结合在一起，则 在交界面处型成PN结。
70年代后期，功率场效应管（POWER MOSFET） 开始进入实用阶段，这标志着电力半导体器件进 入高频化阶段。在80年代又研制了电流垂直流动 结构器件（VDMOS），它具有工作频率高（可达 兆HZ），开关损耗小，安全工作区宽，几乎不存 在二次击穿，输入阻抗高，易并联（漏源电阻为 正温度特性）的特点，是目前高频化的主要器件， 尽管VDMOS器件的开关频率高，但导通电阻大这 一缺点限制了它在高频大中功率领域应用。
P
J
N
---- -
(a) - - - - -
---- -
---- -
内电场
(b)
外电场
---- (c) - - - - -
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内电场
内电场 外电场
图3-2
2、PN结正向偏置
外电场削弱了PN结内部空间电荷区形成的内电场， 打破了多子扩散和少子漂移的平衡，这时P区的空 穴不断涌入N区，N区的电子也不断涌入P区，各 自成为对方区中的少数载流子，电场方向如图 32(b)所示。
当PN结流过正向大电流时，注入基区的空穴浓度 大大超过原始N型基片的多子浓度，为了维持半 导体电中性的条件，多子浓度也要相应的大幅度 增加，即在注入大电流条件下原始N型基片的电 阻率大大下降，也就是说电导率大大地增加，这 种现象称为基区电导调制效应。
3、PN结反偏
外电场加强了内部电场，从而强烈地阻止 结多子扩散，但该电场使漂移加强，这种 漂移形成PN结漏电流，由于少子浓度很低， 所以该漂移电流很小，且随反偏电压V增大 而增大，但变化很小，因此反偏PN结相当 于“断态”或“高阻状态”。随着反偏增 大，其内电场加强，空间电荷区加宽，当 增大到使结雪崩击穿强度时，反向漏电流 急剧增大结会因损耗急剧增大而损坏，所 以结上反向电压受雪崩击穿电压的限制。
以少子形式存储电荷。但是，当二极管反向时， 在二极管处于“断态”前存储的电荷必须全部 抽出或必须被中和掉。发生这一过程所花费的 时间定义为反向恢复时间，即反向恢复时间为 清除这些少数载流子达到稳态值所需的时间。 当PN结正向导通时，PN结突然加一反偏电压， 反偏时高阻状态（反向阻断能力）的恢复需要 经过一段时间。在未恢复反偏高阻状态之前， 二极管相当于短路状态，这是一个很重要的特 性。
4、PN结特点：
PN结通过正向大电流时压降只有1V左 右，即双极型器件通态压降较小，空 间电荷区的雪崩击穿电场强度决定了 结承受反向电压的大小，击穿前反向 漏电流很小，一旦击穿反向漏电流急 剧增加。结正偏时呈现低阻状态，反 偏时呈现高阻状态，即PN结具有单向 导电特性。
5、PN结动态工作过程
1）二极管D从导通转向关断过程 所有的PN结二极管，在传导正向电流时，都
第3章 电力半导体器件
§3.1概述 §3.2功率二极管 §3.3功率晶体管GTR §3.4晶闸管 §3.5静电感应器件 §3.6功率场效应晶体管 §3.7绝缘栅晶体管 §3.8 MOS场控晶闸管（MCT）
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§3.1概述
1956年美国贝尔公司发明了PNPN可触发晶体管，1957年 通用电器（GE）进行了商业化开发，并命名为晶体闸流 管，简称为晶闸管（thyristor）或可控硅（silicon controlled rectifier—SCR）。
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图3-3 二极管电 流、电压波形 定义
在反偏电场作用下，正向电流逐步减小到 零，由于PN结正向导通时在P型半导体内存 储了许多电子，在N型半导体内存储了许多 空穴，除了一部分少数载流子被复合掉外， 其余少数载流子在反偏电场作用下，形成 反向电流，当靠近结附近的多余少数载流 子离开了空间电荷区，电流开始减小，空 间电荷区电场加宽，为PN结恢复反偏时高 阻状态（反向阻断能力）创造条件。
绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulated gate bipolar transistor）。IGBT于1982年在美研制成功，1985 年投入市场,为场控器件，其工作频率超过20KHz。
80年代另一重要的发展是智能化功率集成电路 (SMART POWER IC)的研制成功，它们是在制造 过程中，将功率电子电路和信息电子电路一起集 成在一个芯片上或是封装在一个模块内产生的， 具有信号测试及处理、系统保护及故障诊断等功 能，它们实际上是一种微型化的功率变换装置。
恢ta被复称时为间存由储两时个间不，同t的b 被时称间为区渡间越（时ta，间t。b）组成。 反定向义恢为复 ：时间trr（耗尽存储电荷所需的总时间）
PN I
J
(a)
I
0
UFra Baidu bibliotek
(b)
(c)
图3-1 PN结、二极管符号和二极管伏安特性
1、PN结零偏置
P型半导体多子为空穴，N型半导体多子为电 子，当PN结零偏时，P型半导体和N型半导体 交界处多子相互扩散，即P型半导体中空穴向 N型半导体扩散，N型半导体中电子向P型半导 体扩散，在P型半导体侧形成负电荷，在N型 侧形成正电荷，电场方向如图3-2 (a)所示，该 电场方向阻碍多子扩散，当两者平衡时空间电 荷区达到了一定宽度，由于多子扩散运动和少 子漂移运动相等，总体上看没有电流形成。
由于晶闸管类器件基本上是换流型器件，其工作频率又比 较低，由其组成的频率变换装置在电网侧谐波成分高，功 率因素低。
70年代大功率晶体管（三极管）已进入工业应用阶段，它 被广泛应用于数百千瓦以下的功率电路中，功率晶体管工 作频率比晶闸管大大提高，达林顿功率晶体管可在10KHZ 以下工作,非达林顿功率晶体管可达20KHz，出现了所谓 “20KHz”革命，其缺点在于存在二次击穿和不易并联以 及开关频率仍然偏低等问题，使其使用受到了限制。