功率半导体器件
SiC功率半导体器件的优势和发展前景
SiC功率半导体器件的优势和发展前景SiC（碳化硅）功率半导体器件是一种新兴的半导体材料，具有许多优势和广阔的发展前景。
以下是SiC功率半导体器件的优势和发展前景。
1.高温工作能力：与传统的硅功率半导体器件相比，SiC器件能够在高温环境下工作，其工作温度可达到300摄氏度以上。
这使得SiC器件在航空航天、军事装备和汽车等应用领域具有巨大的潜力。
2.高电压耐受能力：SiC器件具有更高的击穿电场强度和较低的导通电阻，可以实现更高的电压耐受能力。
这使得SiC器件在高压和高电场应用中具有优势，如电力电子转换、电力传输和分配、电网充放电和电动车充电等。
3.高频特性：由于SiC材料的电子迁移率和终端速度较高，SiC器件具有优秀的高频特性。
这使得SiC器件在高频交流/直流转换器和射频功率放大器中具有广泛的应用。
4.低导通和开启损耗：SiC材料的电阻率较低，电流密度较大。
这导致SiC器件在导通过程中的能耗更低，进而减少了开关损耗。
相对于硅器件，SiC器件具有更高的效率和更小的温升。
这使得SiC器件在能源转换和电源管理领域具有潜在的应用前景。
5.小体积和轻量化：SiC器件的小体积和轻量化特性，使得其在高功率密度应用和紧凑空间条件下的应用更具优势。
这对于电动汽车、风力和太阳能发电系统、飞机和船舶等领域都有重要意义。
6.高可靠性和长寿命：由于SiC器件的抗辐射、抗高温、耐压击穿和抗电荷扩散等特性，它具有较高的可靠性和长寿命。
这对于军事装备、航空航天和核电等关键领域的应用具有重要意义。
SiC功率半导体器件的发展前景广阔。
随着科技的不断进步和物联网的快速发展，对于功率器件的要求愈发严苛。
在电力转换、能源管理和电动汽车等领域，对功率器件的需求将进一步增加，而SiC器件作为一种高温、高电压和高频特性都优异的功率半导体器件，将有望取代传统的硅器件，成为未来功率电子的主流。
此外，随着SiC材料的制备工艺和工艺技术的不断改进，SiC器件的成本也在逐渐下降。
功率半导体器件要点
功率半导体器件要点功率半导体器件是指用于控制和转换电力的半导体器件，其具有承载高电流和高电压的特点。
在电力电子领域中，功率半导体器件广泛应用于电力变换、传输和控制系统中，起到关键的作用。
本文将重点介绍功率半导体器件的要点，包括常见的功率半导体器件类型、特性与工作原理、应用领域和发展趋势等方面。
1.常见的功率半导体器件类型常见的功率半导体器件包括功率二极管、功率晶体管、功率场效应管（MOSFET）、可控硅（SCR）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）等。
每种器件都有自己特殊的工作原理、结构和性能特点，适用于不同的应用场合。
2.功率半导体器件的特性与工作原理不同类型的功率半导体器件具有不同的特性和工作原理。
例如，功率二极管通常用作电流开关和快速恢复整流器，其主要特点是低电压降、快速开关速度和高导通电流能力。
功率晶体管在电力放大和开关电路中广泛使用，具有高功率放大能力和较高的开关速度。
功率场效应管主要有MOSFET和IGBT两种类型，其特点是低输入阻抗、高开关速度和较低的控制电压。
可控硅主要用于交流电控制和直流电开关，其工作原理是通过施加门极电压来控制器件的导通。
3.功率半导体器件的应用领域功率半导体器件在电力电子领域有广泛的应用。
例如，功率二极管通常用于电源、电机驱动和变频器等电路中。
功率晶体管广泛应用于功率放大、开关和变换器等电路。
功率场效应管主要用于集成电路和电力开关等领域。
可控硅被广泛应用于交流变频器、电动机起动和照明控制等场合。
绝缘栅双极晶体管（IGBT）结合了晶体管和可控硅的特点，逐渐成为高功率应用的主流器件。
4.功率半导体器件的发展趋势随着电力电子的广泛应用和需求的增加，功率半导体器件面临着高功率、高频率、高效率和小型化等方面的挑战。
近年来，功率半导体器件在结构设计、材料改进和工艺制造等方面取得了重大进展。
新型材料如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的应用，使功率半导体器件具有更高的工作温度、更高的开关速度和更低的导通电阻。
第十五章 半导体功率器件
α2Ig + ICO1 +ICO2 IA = 1− α1 +α2） （
Figure 15.27
• 栅控电流是作为空穴的漂移电流而流进p2区的。多余的空 穴提高了P2区的电势，同时也增加了npn晶体管B-E结的正 偏电压以及晶体管的α1， npn晶体管的效应增加会增加集 电极电流IC2，而IC2的增加又会使pnp晶体管的效应提高， 于是整个pnpn器件从关态过度到低阻的导通态。 • 用于使SCR导通的栅控电流是mA量级，即小电流就能开启 SCR。 • 开启后，栅电流可以关断，但SCR仍处于导通状态
Figure 15.1 典型垂直式npn功率BJT的横截面图 典型垂直式npn功率 功率BJT的横截面图
电流集边效应 BJT的梳状结构
15.1.2 功率晶体管的特性
• 功率BJT与普通BJT比较： 1. 电流增益 β小。（原因基区宽度大） 2. 截止频率低。（原因器件尺寸大，结电容大） 3. 最大额定电流IC,MAX: 使功率BJT保持正常工作的 最大允许电流。与此相关的因素有： （1）连接半导体与外部电极的导线所能承受的最 大电流 （2）电流增益下降到某一最小值以下的集电极 （3）晶体管在饱和状态达到最大功耗时的电流
第十五章 半导体功率器件
15.1 功率双极晶体管
15.1.1 垂直式功率晶体管的结构 15.1.2 功率晶体管的特性 15.1.3 达林顿组态
15.1.1 垂直式功率晶体管的结构
对于功率晶体管，必须考虑晶体管的几何尺寸、结构，最 大额定电力、最大额定电压和最大额定功率 1. 2. 3. 4. C极的位置：普通的BJT，C极可在表面，功率BJT，C 极在器 件底部，这样使电流流过的横截面最大化 C极掺杂浓度：由低掺杂和重掺杂两个区共同组成，低 掺杂区提高击穿电压，重掺杂区减小集电极串联电阻 基区的宽度：功率BJT的基区宽度比普通BJT的基区宽 度宽，目的防止基区穿通，但导致电流增益减小。 几何尺寸大，发射极和基极作成梳状结构，减少电流集 边效应
第一章功率半导体器件
第一章功率半导体器件1.1 概述1.1.1 功率半导体器件的定义图1-1为电力电子装置的示意图，输入电功率经功率变换器变换后输出至负载。
功率变换器即为通常所说的电力电子电路（也称主电路），它由电力电子器件构成。
目前，除了在大功率高频微波电路中仍使用真空管（电真空器件）外，其余的电力电子电路均由功率半导体器件组成。
图1-1 电力电子装置示意图一个理想的功率半导体器件、应该具有好的静态和动态特性，在截止状态时能承受高电压且漏电流要小；在导通状态时，能流过大电流和很低的管压降；在开关转换时，具有短的开、关时间；通态损耗、断态损耗和开关损耗均要小。
同时能承受高的di/dt和du/dt以及具有全控功能。
1.1.2功率半导体器件的发展功率半导体器件是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。
从1958年美国通用电气公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由功率半导体器件构成的变流器时代。
功率半导体器件的发展经历了以下阶段：大功率二极管产生于20世纪40年代，是功率半导体器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。
目前已形成整流二极管（Rectifier Diode）、快恢复二极管（Fast Recovery Diode —FRD）和肖特基二极管（Schottky Barrier Diode—SBD）等3种主要类型。
晶闸管（Thyristor, or Silicon Controlled Rectifier—SCR）可以算作是第一代电力电子器件，它的出现使电力电子技术发生了根本性的变化。
但它是一种无自关断能力的半控器件，应用中必须考虑关断方式问题，电路结构上必须设置关断（换流）电路，大大复杂了电路结构、增加了成本、限制了在频率较高的电力电子电路中的应用。
此外晶闸管的开关频率也不高，难于实现变流装置的高频化。
晶闸管的派生器件有逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等。
功率半导体器件.
(2.2)
(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
方程 (2.2)X ( p p) ，(2.3)X (n n ) 得到 (2.4)
稳态条件下 (2.4) 应该为
(2.5)
上式中利用了双极扩散系数：
(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:
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 Ec
2
பைடு நூலகம்2qN D
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 3.使用具有高击穿电场的材料，如SiC，GaN
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 间快的转换速度
IC1 M (1I E1 IC 01 )
IC 2 M (2 I E 2 IC 02 )
4.3 晶闸管开关的能带变化
正向阻断态: J1,J3正偏，J2反偏， 空穴从P1注入N1被J2的反偏电场抽 运到P2，使其能带降低，导致J3更 加正偏；与之对应，电子聚集在N1 区使之能带升高，导致J1更加正偏。 在器件端电压不是足够大时，注入 的过剩载流子完全被复合掉 正向导通态：端电压不是足够高时， 载流子除了复合外，剩下的流入外 部电路
功率半导体器件基础知识讲解
理想伏安特性
2024年1月2日
导通过程
0
vAK
反向阻断
正向阻断
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第二章 功率半导体器件
晶闸管
现代电力电子技术原理与应用
2024年1月2日
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第二章 功率半导体器件
螺栓型晶闸管外观
现代电力电子技术原理与应用
2024年1月2日
13
第二章 功率半导体器件
螺栓型晶闸管外观
现代电力电子技术原理与应用
2024年1月2日
现代电力电子技术原理与应用
2024年1月2日
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第二章 功率半导体器件
常用全控型电力电子器件
现代电力电子技术原理与应用
• 功率晶体管（巨型晶体管，BJT，GTR） • 金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET） • 绝缘栅型双极型晶体管（IGBT） • 门极可关断晶闸管（GTO） • ……
2024年1月2日
功率半导体器件基础知识讲解
第二章 功率半导体器件
理想的开关器件
现代电力电子技术原理与应用
• 关断时可承受正、反向电压（越高越好） • 开通时可流过正、反向电流（越大越好） • 开通态、关断态均无损耗 • 状态转换过程无损耗 • 状态转换过程快速完成（越快越好） • 开关寿命长（允许的开关次数越多越好）
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第二章 功率半导体器件
现代电力电子技术原理与应用
电路中开关器件符号的处理：进一步简化
2024年1月2日
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第二章 功率半导体器件
现代电力电子技术原理与应用
电路中开关器件符号的处理：抽象化
2024年1月2日
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第二章 功率半导体器件
功率半导体的优劣势分析-功率半导体器件用途功率半导体器件概述
功率半导体的优劣势分析_功率半导体器件用途功率半导体器件概述电力电子器件（PowerElectronicDevice）又称为功率半导体器件，主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面大功率的电子器件（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）。
功率半导体器件分类按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度分类：1.半控型器件，例如晶闸管；2.全控型器件，例如GTO（门极可关断晶闸管）、GTR（电力晶体管），MOSFET（电力场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅双极晶体管）；3.不可控器件，例如电力二极管；按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质分类：1.电压驱动型器件，例如IGBT、MOSFET、SITH（静电感应晶闸管）；2.电流驱动型器件，例如晶闸管、GTO、GTR；根据驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的有效信号波形分类：1.脉冲触发型，例如晶闸管、GTO；2.电子控制型，例如GTR、MOSFET、IGBT；按照电力电子器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分类：1.双极型器件，例如电力二极管、晶闸管、GTO、GTR；2.单极型器件，例如MOSFET、SIT；3.复合型器件，例如MCT（MOS控制晶闸管）、IGBT、SITH和IGCT；功率半导体器件优缺点分析电力二极管：结构和原理简单，工作可靠；晶闸管：承受电压和电流容量在所有器件中最高IGBT：开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小；缺点：开关速度低于电力MOSFET，电压，电流容量不及GTOGTR：耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低；缺点：开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题GTO：电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强；缺点：电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低MOSFET：开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题；缺点：电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。
13种常用的功率半导体器件介绍
13种常用的功率半导体器件介绍电力电子器件（Power Electronic Device），又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控制电路中的大功率（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）电子器件。
可以分为半控型器件、全控型器件和不可控型器件，其中晶闸管为半控型器件，承受电压和电流容量在所有器件中最高；电力二极管为不可控器件，结构和原理简单，工作可靠；还可以分为电压驱动型器件和电流驱动型器件，其中GTO、GTR为电流驱动型器件，IGBT、电力MOSFET为电压驱动型器件。
1. MCT （MOS Control led Thyristor）：MOS控制晶闸管MCT 是一种新型MOS 与双极复合型器件。
如上图所示。
MCT是将MOSFET 的高阻抗、低驱动图MCT 的功率、快开关速度的特性与晶闸管的高压、大电流特型结合在一起，形成大功率、高压、快速全控型器件。
实质上MCT 是一个MOS 门极控制的晶闸管。
它可在门极上加一窄脉冲使其导通或关断，它由无数单胞并联而成。
它与GTR，MOSFET，IGBT，GTO 等器件相比，有如下优点：（1）电压高、电流容量大，阻断电压已达3 000V，峰值电流达1 000 A，最大可关断电流密度为6000kA/m2；（2）通态压降小、损耗小，通态压降约为11V；（3）极高的dv/dt和di/dt耐量，dv/dt已达20 kV/s ，di/dt为2 kA/s；（4）开关速度快，开关损耗小，开通时间约200ns，1 000 V 器件可在2 s 内关断；2. IGCT（Intergrated Gate Commutated Thyristors）IGCT 是在晶闸管技术的基础上结合IGBT 和GTO 等技术开发的新型器件，适用于高压大容量变频系统中，是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。
IGCT 是将GTO 芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点。
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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
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
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
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:
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
(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)来自利用 (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
(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
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
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)
(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)
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:
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：
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：
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)