《功率二极管》PPT课件.ppt

单元功率二极管,2.1常见的半导体分立器件2.2功率二极管2.3功率二极管的散热措施,半导体二极管（DIODE),双极型晶体管(TRANSISTOR),晶闸管（SCR）,场效应晶体管(FET,FieldEffectTransistor),一、常用半导体分立器件及其分类,普通二极管,齐纳二极管(ZENERDIODE),整流二极管,发光二极管（LED）,LED灯,三极管,场效应管（MOSFET),顺德职业技术学院电子工程系,晶闸管,晶闸管,国产半导体分立器件的型号命名,半导体三极管的型号,国家标准对半导体三极管的命名如下:3DG110B,第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、C硅PNP管、D硅NPN管,第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管,用字母表示材料,用字母表示器件的种类,用数字表示同种器件型号的序号,用字母表示同一型号中的不同规格,三极管,普通二极管：整流二极管、检波二极管、稳压二极管、恒流二极管、开关二极管等；,特殊二极管：微波二极管、变容二极管、雪崩二极管、SBD、TD、PIN、TVP管等；,敏感二极管：光敏二极管、热敏二极管、压敏二极管、磁敏二极管；,发光二极管。,半导体二极管,半导体二极管特点：,按照结构工艺不同，可分为点接触型和面接触型。,按照制造材料不同，可分为锗管和硅管。,点接触型结电容小，适用于高频电路。面接触型可通过较大的电流，多用于频率较低的整流电路。,锗管正向导通电压约为0.2V，反向漏电流大，温度稳定性较差。硅管反向漏电流小，正向导通电压约为0.7V,SPICEModelforp-nDiode,二、功率二极管,1、功率二极管的结构2、功率二极管的特性3、性能参数4、特种二极管,1、功率二极管的结构,功率二极管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号,以半导体PN结为基础由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的（垂直结构型）从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样，具有单向导电性PN结的正向导通状态电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态,PN结反向阻断状态,二极管的许多工作特性都主要由轻掺杂区的杂质浓度决定，浓度越低，二极管的击穿电压越高。但杂质浓度降低之后，必然引起正向电阻RF增大，导致功耗增加，结温上升。因此低掺杂区的杂质浓度不能过低，对于大多数硅功率二极管来说，轻掺杂区的杂质浓度就是原始硅片本身的杂质浓度，因而硅片电阻率的不均匀性常常会直接导致二极管的反向穿通，从而使反向耐压能力下降。,JunctionBreakdown,Whowilldiethefirst?,一类是台面造型，即将硅片边沿磨成斜角，适合于面积较大的大功率二极管。,提高功率二极管的反向阻断能力，避免表面击穿，其PN结外露处通常都经过了特殊的造型处理。,正斜角pn结的势垒区,正斜角：斜角结构减小了pn结轻掺杂一侧的器件面积，表面处的耗尽层会扩大，减弱了表面的电场，使器件的击穿电压接近平面结,小负角时的pn结势垒区,斜角技术的缺点是减小了器件的有效面积，同时由于增大了空间电荷层的厚度，因而增大了反向电流中的产生和复合的分量。该技术仅适用于全硅片器件。,表面电场对斜角的依赖关系如右图所示,最优的正斜角角度为3060,负斜角很尖锐（小于10）,如在P+N结的表面露头处扩散一个低掺杂的P型环，将表面的P+N结变成PN结，从而使空间电荷层变宽，提高了其反向击穿电压。适用于功率较小的高反压二极管。,另一类是加保护环（也称终端延伸技术）,只要数目足够多，击穿电压就可以接近平面结的理想值。,也可以两者结合起来使用，以提高反向击穿电压。,器件设计者的目标之一就是利用最小的附加硅面积，得到尽可能接近VBR的击穿电压。,2、功率二极管的特性,(1)伏安特性,二极管具有单向导电能力，二极管正向导电时必须克服一定的门坎电压Uth(又称死区电压)，当外加电压小于门坎电压时，正向电流几乎为零。硅二极管的门坎电压约为0.5V，当外加电压大于Uth后，电流会迅速上升。当外加反向电压时，二极管的反向电流IS是很小的，但是当外加反向电压超过二极管反向击穿电压UBR后二极管被电击穿，反向电流迅速增加。,功率二极管的伏安特性,(2)开关特性,对于高频应用中的功率二极管，除了功率消耗和反向阻断能力外，它在导通过程和关断过程中的瞬态特性也是不容忽视的，某些时候甚至会上升为第一位的重要问题。,功率二极管的动态过程波形a)正向偏置转换为反向偏置b)零偏置转换为正向偏置,IRP电流过冲最大值URP电压过冲最大值,ts存储时间tf电流下降时间trr=ts+tf反向恢复时间,电压过冲现象,一、开通过程,正向电压会随着电流的上升首先出现一个过冲，然后才逐渐趋于稳定。,电压过冲的物理机制：,一是阻性机制，即少数载流子的电导调制作用。在导通初期，二极管的电阻主要是低掺杂的N区的欧姆电阻，其值颇高，且为一常量，因而管压降随着电流的上升而升高。但是当电流上升到一定的数值时，注入并积累在低掺杂N区的少数载流子空穴不断增加，使其电阻明显下降，这就是电导调制作用。电导调制使N区的有效电阻随着正向电流的上升而下降，管压降即随之降低，从而形成一个峰值UFP。,二是感性机制。是指正向电流随着时间上升在器件内部的电感上产生压降。器件内部的电感由硅片电感和电极电感两部分。显然电感压降只存在于电流上升过程中，正向电流渐趋稳定时即为零。由于有电感压降的存在，因而峰值电压UFP必是电流上升率di/dt的函数，di/dt越大，UFP也就越高。,UFP中的阻性分量只在di/dt较小时才起主要作用。,描述二极管开通过程特征参数除了di/dt和UFP外，还有一个正向恢复时间tfr,Tfr定义：正向电压从零经最大值UFP降至接近稳态压降的某个瞬态值所需要的时间。,对于硅功率二极管，该瞬态值通常定为2V。,二、关断过程,当二极管上的偏置电压的极性由正向变成反向时，该二极管并不能立即关断，必须经过一个短暂时间后才能获得反向阻断能力，进入关断状态。在关断之前会有显著的反向电流出现，并伴有明显的反向电压过冲。,二极管从导通到截止的过渡过程与反向恢复时间trr、最大反向电流值IRM，与二极管PN结结电容的大小、导通时正向电流IFR所对应的存储电荷Q、电路参数以及反向电流di/dt等都有关。,关断过程自时刻tF开始，这时加在二极管上的偏置电压反向，正向电流IF以速率diF/dt下降，其值由开关电路的外电感L和反向电压UR决定即,对P+N结型二极管而言，随着电流的减小，存储在高阻N区的额外空穴的电导调制作用被削弱，加上器件内部电感的作用，管压降UF暂无明显变化，即便电流过零的时刻t0也只是有轻微下降，且仍为正向电压。,由于时刻t1的电流变化率di/dt=0，因而此时电感上的电压迅速下降至零，反向电压UR直接加在二极管上。然而在时刻t1之后，由于反向电流迅速下降，在电路电感中产生反向感生电动势叠加在二极管上，而发生反冲至极大值URP，并在时刻t2附近下降至UR。,当空间电荷区附近的额外空穴即将抽尽，致使沿P+N方向的额外空穴电荷密度差PN0时，管压降即变为负极性。这时流经二极管的反向电流达到极大值IRP，然后迅速下降。空间电荷区迅速展宽，二极管重新获得反向阻断能力。,二极管的反向恢复时间trr:,普通二极管trr一般为25us左右，如国产ZP系列的硅整流二极管。快恢复二管也称开关二极管，trr通常小于5us左右，如国产ZK系列的硅快速二极管低于50ns称为超快恢复二极管,恢复系数Sr定义：,Sr越大，二极管的恢复性能越软。下图为几种二极管的瞬态电流波形，由于阶跃二极管在关断过程中di/dt越高，则过冲峰值电压URP越高。,3、功率二极管的主要参数,图为常州银河半导体有限公司快恢复二极管的主要参数,指对二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。一般取反向不重复峰值电压URSM的80称为反向重复峰值电压URRM，也被定义为二极管的额定电压URR。显然，URRM小于二极管的反向击穿电压URO。,(1)反向重复峰值电压URRM,选用二极管的定额一般为其可能承受最高峰值电压的两倍,(2)额定电流IF（AV）二极管的额定电流IF被定义为其额定发热所允许流过的最大工频正弦半波电流平均值。其正向导通流过额定电流时的电压降UFR一般为12V。当二极管在规定的环境温度（+40）和散热条件下工作时，通过正弦半波电流平均值IF时，其管芯PN结温升不超过允许值。若正弦电流的最大值为Im，则额定电流为,(3)最大允许的全周期均方根正向电流IFrms二极管流过半波正弦电流的平均值为IF时，与其发热等效的全周期均方根正向电流IFrms为由式(1-1)和(1-2)可得,应用中应按有效值相等条件来选取二极管的定额。,(4)最大允许非重复浪涌电流IFSM指二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。该值比二极管的额定电流要大得多。实际上它体现了二极管抗短路冲击电流的能力。,在PN结不受损坏的前提下，二极管所能承受的最高平均温度。一般在125-175范围内。,（5）最高工作结温TJM,指二极管由导通到截止、并恢复到自然阻断状态所需的时间。定义从二极管正向电流过零到其反向电流下降到其峰值的10%的时间间隔。与di/dt、TJ、IF有关。,（6）反向恢复时间trr,（7）正向压降VFM,当功率二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压VTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定的导通状态。与正向电流IF（IAV）对应的电力二极管上的两端电压VF即为正向电压降,（8）反向漏电流,当二极管施加反向电压时，只有少数载流子引起的微小且数值恒定的反向漏电流反向漏电流是二极管的一个重要参数，反向漏电流越大，单向导电性能越差。一般硅反向漏电流约为1uA至几十微安，锗约为几十微安至几百微安。PN结漏电流随温度上升，急剧增大，一般温度每升高10，其反向漏电流值约增加1倍。,功率二极管属于功率最大的半导体器件，现在其最大额定电压、电流在8kV、6kA以上。二极管的参数是正确选用二极管的依据。,4、特种二极管,（1）快恢复二极管（2）稳压二极管（3）肖特基二极管,1.普通二极管Line-frequencyDiodes正向压降可以设计的尽可能的低，但是通常trr较大，用于线性频率的系统，耐压几千伏，电流几千安。2.快恢复二极管Fast-recoveryDiodes用于变频电路，trr只有几个微秒，功率二极管的耐压为几百伏，可以导通几百安培。，反向恢复时间短50ns，正向压降低0.9V左右，反向耐压一般在1200V以内3.肖特基二极管SchottkyDiodes导通压降只有0.4V（forwardvoltagedrop）反压为50-100V。反向恢复时间更短，1040ns，不会有明显的电压过冲。缺点是当提高反向耐压时，正向压降也会提高，多用于200V以下的低压场合；反向漏电流也很大。,（1）快恢复二极管,一、FRD（FastRecoveryDiode）,采用扩散法和少子寿命控制技术制成，特点是反向恢复很快、成本低，但是反向恢复波形很硬。,阶跃二极管（硬恢复二极管）瞬态电流波形,（a)阶跃二极管的杂质浓度分布,E,(b)少子浓度分布,减速场,阶跃恢复二极管,在PN结边界处具有陡峭的杂质分布区，从而形成“自建电场”。由于PN结在正向偏压下，以少数载流子导电，并在PN结附近具有电荷存贮效应，使其反向电流需要经历一个“存贮时间”后才能降至最小值（反向饱和电流值）。阶跃恢复二极管的“自建电场”缩短了存贮时间，使反向电流快速截止，并产生丰富的谐波分量。利用这些谐波分量可设计出梳状频谱发生电路。快速关断（阶跃恢复）二极管用于脉冲和高次谐波电路中。,结构特点：,(a)外加电压波形(b)普通二极管的单向导电性(c)阶跃二极管中的电流波形,在左图（a)所示的正弦电压作用下,一般二极管具有单向导电性，其电流如图（b）所示。但阶跃二极管虽正向特性相同，但反向特性却不一样。当外加反向电压时，电流并不立即截止，而是有很大的反向电流流通，直到某一时刻后，才很快截止，如图（C）所示。,二、FRED（FastRecoveryEpitaxialDiode）,是采用外延层及掺铂进行精确少子寿命控制技术制成。特点是成本较高、高温性能好，提高了二极管的快速软恢复性能，减小了开关损耗，减小了电磁干扰噪声。其结构剖面示意图如下所示,Pin,Pin二极管,基本结构：如右图所示，中间的i层一般用电阻率很高的p型或n型层代替，因为完全没有杂质的本征层很难实现。常将高阻p层称为层，高阻的n层称为v层。故实际的pin二极管为pn和pvn结构。,平面结构,p-i-nDiode,零偏压下，理想的pin二极管，i层没有杂质，相当于耗尽层，n层和i层间存在电子浓度梯度，在其界面形成空间电荷区，n侧为正，且很薄。同样，p区靠近i层一边存在负的空间电荷层，也很薄。所以电场均匀分布在高阻i区。,E,理想的pin二极管相当于一个平板电容器,p,i,n,n、p,x,正偏pin二极管载流子浓度分布,正向偏压下，P+、N+区分别有大量的空穴、电子注入到i区，在一定的浓度梯度下，向i区中心扩散，同时不断复合。当单位时间注入的电子空穴数和复合数相等时，电子和空穴达到稳态分布。由于i区电中性要求，电子和空穴分布相同。,注入的电子、空穴产生电导调制效应，使i区电导增加，在i区厚度不大于少子扩散长度时，呈现低阻抗，不同的正偏压具有不同的电导，这时二极管处在导通状态。等效电路如右图所示,图中Rf为正向结电阻、CJ为结电容、RS为P+、N+区的体电阻和接触电阻之和,反偏压下，由于i区电阻率很高，反向偏压主要降落在i区，p区、n区耗尽层宽度变大，i区耗尽层宽度随电压增加更快，当电压增加到一定值时，整个i区都成为耗尽层，即i区穿通，变为高阻层，使pin二极管处于关断。,上图为尚有部分未耗尽的pin二极管的等效电路。,在低频时，pin二极管和pn二极管一样可作整流元件使用，在微波频率下，常作开关管使用。原理是当信号频率高到一定程度时，i区中载流子的注入与扫出跟不上信号的变化。从而使pin管失去整流作用，但可通过外加偏压加以控制，使之在负偏压下，即使微波信号是下半周，也能提供高阻抗，保持截止状态，而在正偏压下，即使微波信号是下半周，也能提供低阻抗，保持导通状态，从而对微波信号起到开关状态。,（2）稳压二极管,一般为硅的扩散型或合金型。是反向击穿特性曲线急骤变化的二极管，作为控制电压和标准电压使用而制作的。二极管工作时的端电压（又称齐纳电压）从3V左右到150V，按每隔10%，能划分成许多等级。在功率方面，也有从200mW至100W以上的产品。工作在反向击穿状态，硅材料制作，动态电阻RZ很小，一般为2CW型；将两个互补二极管反向串接以减少温度系数则为2DW型。,硬击穿（图中曲线甲）：BVCB0：集电结的雪崩击穿电压VB软击穿（图中曲线乙）：BVCB0比VB低,使二极管击穿特性“软”化的直接原因主要是结平面或其周边中存在击穿电压较低的弱点，这些局域性的弱点通过前后不齐的提前击穿，使二极管整体击穿前的反向电流增大，严重时使二极管的击穿电压难以确定，弱点问题主要是材料和制造工艺的均匀性问题。,稳定电压额定值为15V的一个稳定二极管的电流电压特性（图a）及其应用示意图,稳压二极管的应用,在生产厂家规定的允许范围内，工作电流要尽可能选高一些,（3）肖特基势垒二极管（SBD）,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（SchottkyBarrierDiode,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。,肖特基二极管特点,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,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。,材料、结构和工艺,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,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,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。,（4）碳化硅肖特基二极管,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。,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：带隙宽度是硅的23倍绝缘击穿电场是硅的10倍热导为硅的3倍本征温度是硅的34倍,这些特点决定了碳化硅是制作功率器件的理想材料,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。,作业：,思考题,1、为什么不能用负斜角做P+N结的终端造型2、正向特性好的PN二极管，其反向特性一般较差，为什么？3、决定PN二极管的trr因素有器件内因与电路外因两类，分别是什么？4、为什么PN结做高频整流时常需并联RC缓冲回路？,1、提高功率二极管的反向阻断能力，常采用哪些方法？2、肖特基二极管的优缺点是什么？碳化硅肖特基二极管的优点是什么？,一、散热原理二、散热器及其安装,2.3功率二极管的散热措施,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永久失将效。,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。,一、散热原理,自然散热的方式（热力学原理）,热传导热对流热辐射,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%,半导体功率器件安装示意图,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。,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）,硅功率二极管：135150军用设备：125130超高可靠性设备：105,器件Tjm,热传输与电传输有很大的相似性，其过程，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）,1、稳态热阻,热传输遵从热路欧姆定律：,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）R热阻（k/w）（稳态热阻）,h散热系数k热导率A散热面积L热流路程长度,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,设散热器的环境温度为Ta，则芯片到环境的总热阻：,半导体功率器件的传热途径和热阻示意图,总热阻Rj-a分成三部分：,a：内热阻RJ-C：从管芯到管壳的热阻b：外热阻RC-S：从管壳到散热器的接触热阻RS-a从散热器到环境介质的散热器热阻,若考虑从管壳到环境的直接传热作用，Rj-a更复杂：,半导体器件稳态散热过程的等效电路,对于器件用户来说，结壳热阻RJ-C是不能改变的一个器件因素，它同Tjmax、最大功耗Pdm一起决定壳温的上限,接触热阻RC-S的大小与多种因素有关，它不但取决于器件的封装形式、界面平整度和散热器的安装压力，还取决于管壳与散热器之间是否加有绝缘垫片或导热硅脂。,增加安装压力可减小RC-S，涂导热脂可降低RC-S，但加绝缘垫片可使RC-S增加,2、瞬态热阻抗,当功率器件工作在开关模式之中时，其峰值结温与平均结温有一定的差别。在电流脉冲的持续时间较长，占空比也较高的情况下，峰值结温有可能非常接近平均结温。这时，热阻的概念仍然适用。,tp器件导通时间,矩形脉冲，若幅值为Pp，则其平均值：,在脉冲较短，占空比比较低的情况下，峰值结温有可能远高于平均结温，成为器件工作特性的主要限制因素。这时的结温高低不仅与器件的消耗功率有关，还在很大程度上决定于电流脉冲的形状、持续的时间和重复的频率。因而热阻的概念不再适用，须用瞬时热阻抗这个新概念代替。其反映了热传体的热惯性在热量传递的瞬变过程中对热阻的改变，用Z表示。r(tp)是一个与脉冲宽度tp及占空比有关的比例因子，本质上也就是以稳态热阻为1的归一化瞬态热阻抗。,二、散热器及其安装,散热器是以对流和辐射的方式将热能传到环境中去的，散热器的热阻RS-a与散热器的材质、结构、表面颜色、冷却方式及安装位置有关。,散热器的形状,（1）平板型,（2）叉指型,（3）型材型,散热器的表面：涂黑色漆或钝化。目的是提高辐射系数，可减小10%-15%的热阻。,散热器的安装：应垂直安放。因为热气流密度轻，自然向上流动，以形成“烟囱效应”，便于散热。热阻可减小15%-20%。,散热器的冷却方式：,自然冷却依靠空气的自然对流及辐射。结构简单、无噪声，但散热效率低。风冷强制通风，加强对流的散热方式。为自冷散热效率的2-4倍，噪声大。水冷散热效率极高，为自然散热的150倍。冷却介质有水、变压器油，投资高。,主要有铝板或铝型材料制成（价格低），另外还有铜、镁和钢等材质。,散热器的材质：,几种主要外壳封装的半导体功率器件的RjC值,几种主要外壳封装的半导体功率器件的RCS值。,铝质平板散热器的热阻,注：散热器垂直放置时取下限、水平放置时取上限,铝质平板散热器的热阻,案例:,现有一