功率器件复习(第二、三章精心整理)

1、第二章 功率二极管1、PN结的穿通：是指空间电荷区随反向电压的升高而展宽到与电极接通而发生的短路现象。需要承受很高的反向电压而正向导通时的电流容量又要很大的PN结比较容易碰到穿通问题2、PN结的反向击穿PN结反向电压增加过大，达到反向击穿电压 VBR时，反向电流将会急剧增加，破坏了PN结反向偏置为截止的工作状态，这种状态称为反向击穿。3雪崩击穿是电力半导体器件中最常见的击穿现象。 为同时满足正反两种偏置状态要求（正向导通电流容量大、反向耐压高），功率器件的PN结通常为单边突变结。反向电压 VR空间电荷区内电场强度 载流子漂移运动的动能与晶体原子发生碰撞使之电离 空间电荷层载流子浓度 （数目倍增

2、）反向电流IR 单向导电性遭到破坏（击穿）。雪崩击穿通常发生在空间电荷区较宽的轻掺杂一侧，对于单边突变结，雪崩击穿电压 UB随着轻掺杂区的杂质浓度的升高而下降。4、雪崩击穿和隧道击穿的主要区别 隧道击穿主要取决于空间电荷区中的最大电场；雪崩击穿除了与电场有关外,还与空间电荷区宽度有关。 雪崩击穿是碰撞电离的结果，如果用光照等其他办法，同样会有倍增效应；而上述外界作用对隧道击穿则不会有明显的影响。 隧道击穿电压随着温度的增加而降低，温度系数为负数；而雪崩击穿电压随着温度的增加而增加，温度系数为正数 。PN结的反向电流会随着结温的上升而增大。5、PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结

3、电容CJ，又称为微分电容。正向偏置条件下，当正电压较低时，扩散运动较弱，势垒电容占主要成份；正向电压较高时，扩散运动加剧，使扩散电容按指数规律上升，成为PN结的主要成份。反向偏置状态下，因扩散运动被抑制，因而表现出较小的扩散电容，因此PN结电容以势垒电容为主。6、PN结的电导调制效应（以P+N为例）P区向N区注入空穴，在N区形成少数载流子积累，与N区的电子复合而形成少子浓度梯度，随着正向电流的上升，少数载流子的积累增多，少子浓度梯度变缓。少子空穴浓度分布在大部分高阻 N区。因为注入的少子浓度远高于N区的平衡少子浓度，因而使得 N区的电阻率下降，电导增加。7、利用二极管正、反向电流相差悬殊这一特

4、性，可以把二极管作开关使用。提高PN结开关速度的途径：一、从电流角度考虑，可以减小正向注入电流和增大抽取电流（即初始反向电流 ）IR。二、从结构角度考虑，就是降低少数载流子的寿命。器件制造工艺中常掺入某些特殊杂质（如金、铂、铜、镍等）的方法来缩短少子寿命，这是提高开关速度最主要的方法8、功率二极管的结构主要有螺栓型和平板型两种封装。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9、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。一类是台面造型，另一类是加保护环（也称终端延伸技术）功率二极管属于功率

5、最大的半导体器件，现在其最大额定电压、电流在8kV、6kA以上。10、普通二极管Line-frequency Diodes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。快恢复二极管FRD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。肖特基二极管Schottky Diodes导通压降只有0.4V（forward voltagedrop）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。11、Pi

6、n二极管中间的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。12、肖特基二极管特点（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。）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。13、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

7、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%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。散热器的表面：涂黑色漆或钝化，散热器的安装：应垂直安放第三章 巨型晶体管1双极型晶体管和场效应晶体管的区别双极型晶体管：由一个P-N结注入非平衡少数载流子，并由另一个 P-N结收集而工作的。在这类晶体管中，参加导电的不仅有少数载流子，也有多数载流子，故称为双极型晶

8、体管。场效应晶体管（FET）：利用改变垂直于导电沟道的电场强度来控制沟道的导电能力而工作的。在场效应晶体管中，工作电流是由半导体中的多数载流子所输运的，因此也称为单极型晶体管。2、在高浓度的N+衬底上，生长一层N型的外延层，再在外延层上用硼扩散制作P区，后在P区上用磷扩散形成一个N+区。其结构是一个NPN型的三层式结构，上面的N+区是发射区，中间的P区是基区，底下的N区是集电区。3、晶体管具有放大能力，必须具有下面条件（1）发射区杂质浓度比基区杂质浓度高得多，即 NE远大于NB，以保证发射效率1；（2）基区宽度WB远小于LnB，保证基区输运系数*1；（3）发射结必须正偏，使re很小；集电结反偏

9、，使rc很大，rc远大于re。4、巨型双极晶体管是一种双极型大功率高反压晶体管，又称电力晶体或功率晶体管，简称GTR。晶体管按集电极最大允许耗散功率 PCM的大小分为小功率（PCM1W）。5、通过晶体管的电流是电流密度和结面积的乘积，可见要增大电流有两种方法：增大结面积和增加电流密度。增大结面积的方法并不可取，（结面积的增大会导致成品率的降低，并会增大结电容而使晶体管的高频性能变差）。6、基区电导调制效应基区大注入效应使器件发射结的注入效率下降，少数载流子的扩散系数变大，体内少数载流子的寿命下降，以致严重影响 GTR的电流增益的现象。7、有效基区宽度扩展效应 kirk（克而克）效应在大注入下，

10、晶体管，特别是缓变基区晶体管的有效基区宽度将随注入电流的增加而扩展 。用这个效应能够比较有效地解释大电流下晶体管的电流放大系数和截止频率下降的现象。8、基区宽度调制效应Early效应反偏pn结的耗尽层宽度明显依赖于电压，改变 VBC将引起集电极耗尽层宽度的变化，从而引起中性基区宽度的 w的变化，也叫Early效应9、发射极电流集边效应（基区电阻自偏压效应 ）也称基区电阻自偏压效应，是由于在大电流条件下，基区的横向压降使得发射极电流分配不均匀，电流的分布较多地集中在靠近基极的发射极周边上，引起电流的局部集中进而导致局部过热。发射极电流集边效应的严重后果是使器件的功率耗散比较集中，从而使器件中形成

11、热点，有可能导致器件的损坏。防止发射极电流集边效应：应尽量缩小发射极宽度。10、 为了削弱上述三种物理效应的影响，必须在结构上采取适当的措施以保证适合大功率应用的需求。措施：发射极、基极化整为零减小电流集边效应，基极、发射极版图设计成梳状来增加发射区的结面积。采取达林顿接法组成单元结构11、目前常用GTR器件有：单管GTR、达林顿管和模块三大系列。GTR的结构优点：结构可靠性高，能改善器件的二次击穿特性，易提高耐压能力（由外延层的电阻率和厚度决定，但也不能过大，否则饱和导通电阻增大和电流增益降低。缺点：电流增益低（大注入效应使发射极注入系数下降），约 1020达林顿GTR为了克服电流增益低的缺

12、点， GTR通常至少由两个晶体管按达林顿接法组成单元结构。特点：（1）提高了电流增益（2）提高了输入阻抗（3）饱和压降增加了（4）达林顿GTR开关速度慢GTR工作状态与特征阻断状态（截止状态）发射结、集电结处于正向偏置，承受高电压及极小的漏电流。线性区（放大区）发射结正偏、集电结反偏置， IC与IB呈线性关系。GTR应当尽量避免工作于线性区，否则功耗将会很大。深饱和区发射结、集电结均处于正向偏置。电流增益及导通电压均很小。准饱和状态（特性曲线明显弯曲的部分）IC与IB不再呈线性关系，但仍保持发射结、集电结正向偏置的特点。12、为了缩短GTR开关时间，采取以下措施：选择小的器件，防止深饱和，增加

13、反向驱动电流13、一次击穿指PN结的雪崩击穿，具有器件端电压无明显跌落且特性可恢复的特点。二次击穿电流骤然上升的同时伴随着电压的突然跌落的破坏性击穿实际应用中发现，二次击穿现象并不总是在一次击穿发生之后才会发生，也常常会直接发生。这种击穿现象并不只是在截止状态上才会出现，而是在各种工作状态下都有可能出现。二次击穿理论：功率晶体管二次击穿时的整体温度并非明显升高，与热击穿不是同一回事，但解剖二次击穿以后的器件，常常可在芯片中发现范围很小的局部熔化痕迹。这表明二次击穿确与过热有关。理论有二：热电反馈理论和雪崩注入理论14、发射极夹紧效应GTR关断，首先要靠反向基极电流 IBR清除基区中超量存储电荷，IBR从基区中心流向基极，并产生横向压降。从而使发射结的两头首先从正偏转入反偏，发射极电流聚集在发射结的中部通过。15、GTR的安全工作区GTR在运行中受到电压、电流、功率损耗以及二次击穿等定额的限制。厂家一般把它们画在对数坐标上，以安全工作区的综合概念提供给用户，安全工作区简称SO