2.4 功率二极管的散热解读
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功率二极管
肖特基势垒源自文库极管（SBD）
新 型 功 率 器 件
肖特基二极管是以其发明人肖特基博士 （Schottky）命名的，SBD是肖特基势垒二极 管（Schottky Barrier Diode,缩写成SBD）的 简称。是利用金属与半导体接触形成的金属－ 半导体结原理制作的。是近年来间世的低功耗、 大电流、超高速半导体器件。其反向恢复时间 极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅 0.4V左右，而整流电流却可达到几千安培。这 些优良特性是快恢复二极管所无法比拟的。 1
18
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功率二极管
1、稳态热阻
新 型 功 率 器 件
热传输遵从热路欧姆定律：
T Pd R
△T——冷热端的温差（k）（类似电压）
Pd——功率耗散，即热流（散热速率，类 似电流，单位时间内产生的热量）（W）
Rθ——热阻（k/w）（稳态热阻）
19
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功率二极管
新 型 功 率 器 件
1 1 L R hA k A
规定的最高结温（允许的结温）远 低于其本征失效温度（芯片面积大， 温度分布不均匀）
器件
硅功率二极管：
Tjm
135~150℃
军用设备：
超高可靠性设备：
125~130℃
105℃
17
17
功率二极管
新 型 功 率 器 件
热传输与电传输有很大的相似性，其 过程也有稳态（管芯发热率与散热率 相等，结温不再升高，处于热均衡状 态）和瞬态（升温或降温的过渡过程）
Rj a
T j max Ta Pd
3
3
功率二极管
新 型 功 率 器 件
为了减小SBD的结电容，提高反向击穿 电压，同时又不使串联电阻过大，通常是 在N＋衬底上外延一高阻N－薄层。 金属材料应选用与半导体接触形成的势 垒高度较低的金属。
对于n-Si,常用的金属有Ni、Mo、Ti、Pt 对于n-GaAs，采用过的金属有Au、Ag、Ni、 Cr、Ti
11
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功率二极管
新 型 功 率 器 件
但电力电子器件在传递和处理电能的 同时，也要通过电-热转换消耗一部 分电能。为了保持器件的正常工作， 由消耗电能转换而成的热量必须及时 传出器件并有效的散发掉。这就涉及 到散热原理与散热措施两方面的内容。
12
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功率二极管
一、散热原理
新 型 功 率 器 件
7
7
功率二极管
SiC晶体也是一种多晶型的，从物理参 数看，与Si相比有以下特点：
新 型 功 率 器 件
① 带隙宽度是硅的2~3倍
② 绝缘击穿电场是硅的10倍
③ 热导为硅的3倍
④ 本征温度是硅的3~4倍 这些特点决定了碳化硅是制作功率器 件的理想材料
8
8
功率二极管
新 型 功 率 器 件
2000年5月4日，美国CREE公司和日本关西 电力公司联合宣布研制成功12.3kV的SiC 功率二极管，其正向压降VF在100A/cm2电 流密度下为4.9V。这充分显示了SiC材料 制作功率二极管的巨大威力。
h——散热系数 k——热导率 A——散热面积 L——热流路程长度
20
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功率二极管
新 型 功 率 器 件
散热设计的主要任务就是根据器件的 耗散功率设计一个具有适当热阻的散 热方式和散热器，以确保器件的芯片 温度不高于最大结温Tjmax
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功率二极管
新 型 功 率 器 件
设散热器的环境温度为T a，则 芯片到环境的总热阻：
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功率二极管
新 型 功 率 器 件
2.4 功率二极管的散热措施
一、散热原理 二、散热器及其安装
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功率二极管
新 型 功 率 器 件
半导体器件的基本结构是PN结，而PN结的 性能与温度密切相关，为了保证器件正常 工作，必须规定最高允许的结温Tjm ,与最 高结温对应的器件的耗散功率即是器件允 许的最大的耗散功率。器件正常工作时不 能超过最高结温和功率的最大允许值，否 则器件的特性与参数将要发生变化，甚至 因为电极或半导体层的熔化而将永久失效。
6
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功率二极管
碳化硅肖特基二极管
新 型 功 率 器 件
一、期待中的SiC器件
随着对大功率变换器、高速变换器的需求日 益增加，开始感到硅功率器件的性能受到限 制，面对广阔的市场，不得不考虑一些新的 材料，长远考虑金刚石是一理想的材料，近 年来SiC材料越来越受到重视，有人预言： 碳化硅是21世纪最好的电力电子器件材料。
1
功率二极管
肖特基二极管特点
新 型 功 率 器 件
优点： 1、正向导通压降低 2、反向漏电流受温度变化小
3、动态特性好，工作频率高
缺点： 1、反向漏电流大
2、耐压低
2
2
功率二极管
材料、结构和工艺
新 型 功 率 器 件
目前主要使用的半导体材料有硅和砷化镓二 种。GaAs介电常数小、迁移率大，相对硅、锗 二极管，其结电容CJ和串联体电阻小、截止频 率高、噪声小，缺点是GaAs和金属接触的势垒 高度，一般比硅大，因而导通电压比较高。 由于电子的迁移率比空穴大，为获得良好的 频率特性，故一般选择n型的半导体材料作基 片。
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功率二极管
新 型 功 率 器 件
半导体功率器件安装示意图
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功率二极管
新 型 功 率 器 件
在利用空气散热的自然冷却和风冷方式 中，对流是热量从管座或散热器向空气 散失的主要方式。当用水或其他液体散 热时，散热器壁与散热介质之间的热传 导则是主要的散热方式。
16
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功率二极管
新 型 功 率 器 件
热传导 自然散热的方式
（热力学原理）
热对流
热辐射
13
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功率二极管
新 型 功 率 器 件
电力电子器件的主要发热部位在半导体 芯片内部，由消耗电能产生的热量首先 通过热传导转移到管座（外壳的底座） 和散热器上，然后经热传导、对流和辐 射等多种传热形式散发给空气或水等吸 收介质。在这些散热方式中，辐射散热 的热量很少，通常只占1%-2%
4
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功率二极管
新 型 功 率 器 件
功率肖特基势垒 二极管主要是利 用薄膜淀积技术 在N型低阻硅上， 淀积一层金属 （铬、铂、钨、 钼等）制成。其 结构有二种，如 右图所示
5
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功率二极管
新 型 功 率 器 件
P型环与n型外延 层构成pn结，它 与肖特基二极管并 联，肖特基二极管 的正向压降低于 pn结的，不会影 响肖特基二极管的 正向特性，但反向 状态下，p区将增 加边缘势垒层的曲 率和半径，反向特 性得到明显改善。
肖特基势垒源自文库极管（SBD）
新 型 功 率 器 件
肖特基二极管是以其发明人肖特基博士 （Schottky）命名的，SBD是肖特基势垒二极 管（Schottky Barrier Diode,缩写成SBD）的 简称。是利用金属与半导体接触形成的金属－ 半导体结原理制作的。是近年来间世的低功耗、 大电流、超高速半导体器件。其反向恢复时间 极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅 0.4V左右，而整流电流却可达到几千安培。这 些优良特性是快恢复二极管所无法比拟的。 1
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功率二极管
1、稳态热阻
新 型 功 率 器 件
热传输遵从热路欧姆定律：
T Pd R
△T——冷热端的温差（k）（类似电压）
Pd——功率耗散，即热流（散热速率，类 似电流，单位时间内产生的热量）（W）
Rθ——热阻（k/w）（稳态热阻）
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功率二极管
新 型 功 率 器 件
1 1 L R hA k A
规定的最高结温（允许的结温）远 低于其本征失效温度（芯片面积大， 温度分布不均匀）
器件
硅功率二极管：
Tjm
135~150℃
军用设备：
超高可靠性设备：
125~130℃
105℃
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功率二极管
新 型 功 率 器 件
热传输与电传输有很大的相似性，其 过程也有稳态（管芯发热率与散热率 相等，结温不再升高，处于热均衡状 态）和瞬态（升温或降温的过渡过程）
Rj a
T j max Ta Pd
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功率二极管
新 型 功 率 器 件
为了减小SBD的结电容，提高反向击穿 电压，同时又不使串联电阻过大，通常是 在N＋衬底上外延一高阻N－薄层。 金属材料应选用与半导体接触形成的势 垒高度较低的金属。
对于n-Si,常用的金属有Ni、Mo、Ti、Pt 对于n-GaAs，采用过的金属有Au、Ag、Ni、 Cr、Ti
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功率二极管
新 型 功 率 器 件
但电力电子器件在传递和处理电能的 同时，也要通过电-热转换消耗一部 分电能。为了保持器件的正常工作， 由消耗电能转换而成的热量必须及时 传出器件并有效的散发掉。这就涉及 到散热原理与散热措施两方面的内容。
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功率二极管
一、散热原理
新 型 功 率 器 件
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功率二极管
SiC晶体也是一种多晶型的，从物理参 数看，与Si相比有以下特点：
新 型 功 率 器 件
① 带隙宽度是硅的2~3倍
② 绝缘击穿电场是硅的10倍
③ 热导为硅的3倍
④ 本征温度是硅的3~4倍 这些特点决定了碳化硅是制作功率器 件的理想材料
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功率二极管
新 型 功 率 器 件
2000年5月4日，美国CREE公司和日本关西 电力公司联合宣布研制成功12.3kV的SiC 功率二极管，其正向压降VF在100A/cm2电 流密度下为4.9V。这充分显示了SiC材料 制作功率二极管的巨大威力。
h——散热系数 k——热导率 A——散热面积 L——热流路程长度
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功率二极管
新 型 功 率 器 件
散热设计的主要任务就是根据器件的 耗散功率设计一个具有适当热阻的散 热方式和散热器，以确保器件的芯片 温度不高于最大结温Tjmax
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功率二极管
新 型 功 率 器 件
设散热器的环境温度为T a，则 芯片到环境的总热阻：
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功率二极管
新 型 功 率 器 件
2.4 功率二极管的散热措施
一、散热原理 二、散热器及其安装
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功率二极管
新 型 功 率 器 件
半导体器件的基本结构是PN结，而PN结的 性能与温度密切相关，为了保证器件正常 工作，必须规定最高允许的结温Tjm ,与最 高结温对应的器件的耗散功率即是器件允 许的最大的耗散功率。器件正常工作时不 能超过最高结温和功率的最大允许值，否 则器件的特性与参数将要发生变化，甚至 因为电极或半导体层的熔化而将永久失效。
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功率二极管
碳化硅肖特基二极管
新 型 功 率 器 件
一、期待中的SiC器件
随着对大功率变换器、高速变换器的需求日 益增加，开始感到硅功率器件的性能受到限 制，面对广阔的市场，不得不考虑一些新的 材料，长远考虑金刚石是一理想的材料，近 年来SiC材料越来越受到重视，有人预言： 碳化硅是21世纪最好的电力电子器件材料。
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功率二极管
肖特基二极管特点
新 型 功 率 器 件
优点： 1、正向导通压降低 2、反向漏电流受温度变化小
3、动态特性好，工作频率高
缺点： 1、反向漏电流大
2、耐压低
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功率二极管
材料、结构和工艺
新 型 功 率 器 件
目前主要使用的半导体材料有硅和砷化镓二 种。GaAs介电常数小、迁移率大，相对硅、锗 二极管，其结电容CJ和串联体电阻小、截止频 率高、噪声小，缺点是GaAs和金属接触的势垒 高度，一般比硅大，因而导通电压比较高。 由于电子的迁移率比空穴大，为获得良好的 频率特性，故一般选择n型的半导体材料作基 片。
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功率二极管
新 型 功 率 器 件
半导体功率器件安装示意图
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功率二极管
新 型 功 率 器 件
在利用空气散热的自然冷却和风冷方式 中，对流是热量从管座或散热器向空气 散失的主要方式。当用水或其他液体散 热时，散热器壁与散热介质之间的热传 导则是主要的散热方式。
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功率二极管
新 型 功 率 器 件
热传导 自然散热的方式
（热力学原理）
热对流
热辐射
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功率二极管
新 型 功 率 器 件
电力电子器件的主要发热部位在半导体 芯片内部，由消耗电能产生的热量首先 通过热传导转移到管座（外壳的底座） 和散热器上，然后经热传导、对流和辐 射等多种传热形式散发给空气或水等吸 收介质。在这些散热方式中，辐射散热 的热量很少，通常只占1%-2%
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功率二极管
新 型 功 率 器 件
功率肖特基势垒 二极管主要是利 用薄膜淀积技术 在N型低阻硅上， 淀积一层金属 （铬、铂、钨、 钼等）制成。其 结构有二种，如 右图所示
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功率二极管
新 型 功 率 器 件
P型环与n型外延 层构成pn结，它 与肖特基二极管并 联，肖特基二极管 的正向压降低于 pn结的，不会影 响肖特基二极管的 正向特性，但反向 状态下，p区将增 加边缘势垒层的曲 率和半径，反向特 性得到明显改善。