半导体功率器件综述共33页
半导体功率器件的特点
半导体功率器件的特点常见的功率器件有：功率二极管、金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（电力电子行业“CPU”IGBT）、基材禁带宽度较高（大于2.3eV）的功率器件-宽禁带功率器件，他们的特点介绍如下：1、功率二极管：最简单的功率器件二极管是用半导体材料制成的具有单向导电性的二端器件，一般由P极和N极形成PN结结构，电流只能从P极流向N极。
二极管由电流驱动，无法自主控制通断，电流只能单向通过。
半导体二极管按应用领域不同可分为用于电力转换的功率二极管，主要为普通整流二极管、快恢复二极管（Fast Recovery Diode，FRD）、肖特基二极管（Schottky Barrier Diode，SBD）；用于显示用的发光二极管，如LED、OLED；用于将光信号转化成电信号的光电二极管等。
功率二极管是最简单的功率器件，利用其单向导电的特性，通常用于整流电路、稳压电路、开关电路、检波电路等。
1.1整流二极管是利用PN结的单向导电性，把电路中工频交流电转换成脉动直流电的一种二极管。
是结面积大、结电容大、工作频率较低，一般在几十千赫兹，为了可靠往往选用二极管的最大整流电流和最高反向工作电压要有2倍余量。
1.2开关二极管也是利用PN结的单向导电性而完成电流开关功能的一种二极管，当开关二极管加上一个较大的正脉冲信号时，进入导通状态，正向压降很小，正向电阻很低，相当一个闭合开关；当负脉冲到达时，进入截止状态，反向电阻很大，反向电流很小，相当一个断开的开关。
1.3稳压二极管是利用PN结反向击穿时电压基本不变，而电流可在很大范围内变化的特性制做的，它可以在一定电流变化范围内对电路起稳压作用。
1.4检波（也称解调）二极管是利用其单向导电性将高频或中频无线电信号中的低频信号或音频信号取出来，广泛应用于半导体收音机、收录机、电视机及通信等设备的小信号电路中，其工作频率较高，处理信号幅度较弱。
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
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
功率半导体器件发展概述
功率半导体器件发展概述功率半导体器件是指能够承受较高电流和电压的半导体器件。
它们广泛应用于电力电子、汽车电子、航天航空等领域，具有高效率、小体积、轻量化等优势，对能源的高效利用和环境保护具有重要作用。
下面将对功率半导体器件的发展历程进行概述。
20世纪40年代，晶体管的发明和发展催生了功率半导体器件的诞生。
最早的功率半导体器件是由晶体管和二极管组成的，如功率晶体三极管和功率二极管。
这些器件应用于通信、电视、广播等领域，开启了功率半导体器件的发展之路。
20世纪50年代，随着半导体材料和制造工艺的不断改进，出现了一系列新型功率半导体器件，如功率MOSFET、功率势控晶体管（SCR）等。
这些器件具有更高的电压、电流承受能力，广泛应用于电力电子和工业自动化控制系统。
20世纪60年代至70年代，随着功率电子技术的进一步发展，功率半导体器件的性能得到了进一步提升。
功率MOSFET得到了广泛应用，功率MOSFET的开关速度和导通电阻都有很大改进，使其在高频率开关电源和高速交流电机等应用中具有重要作用。
此外，绝缘栅双极晶体管（IGBT）也成为功率半导体器件的重要代表，它结合了功率MOSFET和功率BJT的优点，具有低导通压降和高开关速度等优势，被广泛应用于交流变频调速系统。
20世纪80年代至90年代，功率半导体器件的发展受到了电子信息技术快速发展的推动。
新型器件的不断涌现，如GTO（大功率双极晶闸管）、SIT（静电感应晶体管）、电流模式控制晶闸管（IGCT）等，使得功率半导体器件在电动车、电力系统和工业自动化等领域得到了广泛应用。
进入21世纪以来，功率半导体器件的发展重点逐渐从性能提升转向能源效率和可靠性改进。
新型器件的研究和开发不断涌现，如SiC（碳化硅）功率器件、GaN（氮化镓）功率器件等。
这些器件具有更低的开关损耗和更高的工作温度，具备更高的效率和更小的体积，被广泛应用于新能源、新能源汽车等领域。
总的来说，功率半导体器件在过去几十年中经历了从晶体管、二极管到MOSFET、SCR，再到IGBT、GTO和新材料器件的发展过程。
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。
功率半导体器件简介演示
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目 录
• 功率半导体器件概述 • 功率二极管 • 功率晶体管 • 功率场效应管 • 功率半导体器件的制造工艺流程 • 功率半导体器件的发展趋势和市场前景
01
功率半导体器件概述
功率半导体器件的定义
功率半导体器件是一种用于电能转换和控制的重要电子器件，它能够实现电能的 转换、控制和放大等功能。
新能源汽车及充电设施需 求
新能源汽车及充电设施的快速发展，对功率 半导体器件的需求不断增加，同时对功率半 导体器件的性能和可靠性也提出了更高的要
求，如高耐压、高效率、高可靠性等。
国际竞争加剧市场整合
国际巨头垄断市场
全球功率半导体市场主要由国际巨头所 垄断，如美国德州仪器（TI）、美国英特 尔（Intel）、日本富士通（Fujitsu）等 ，这些企业在技术研发、品牌和市场渠 道等方面具有较大优势，占据了市场的 主要份额。
金属电极
在PN结上添加两个金属电 极，一个是阳极，另一个 是阴极。
封装
将PN结和金属电极封装在 固体介质中，以保护其免 受环境影响。
功率二极管的特性
伏安特性
功率二极管的伏安特性曲线展示其电 压与电流之间的关系。
反向恢复时间
功率二极管在从一个状态转换到另一 个状态所需的时间。
额定电流
在规定温度下，二极管能够安全通过 的最大电流。
VS
国内企业逐步崛起
随着国内电子信息技术的发展，国内功率 半导体企业逐渐崛起，如中国电子科技集 团公司（CETC）、杭州士兰微电子股份 有限公司（Silan）等，这些企业在国家 政策支持和技术积累下，逐渐提升自身技 术水平和产品质量，逐步扩大市场份额。
THANKS
功率器件简要介绍
一功率半导体简介功率半导体器件种类很多,器件不同特性决定了它们不同得应用范围,常用半导体器件得特性如下三图所示。
目前来说,最常用得功率半导体器件为功率MOSFET与IGBT。
总得来说,MOSFET得输出功率小,工作频率高,但由于它导通电阻大得缘故,功耗也大。
但它得功耗随工作频率增加幅度变化很小,故MOSFET更适合于高频场合,主要应用于计算机、消费电子、网络通信、汽车电子、工业控制与电力设备领域。
IGBT得输出功率一般10KW~1000KW之间,低频时功耗小,但随着工作频率得增加,开关损耗急剧上升,使得它得工作频率不可能高于功率MOSFET,IGBT主要应用于通信、工业、医疗、家电、照明、交通、新能源、半导体生产设备、航空航天以及国防等领域。
图1、1 功率半导体器件得工作频率范围及其功率控制容量图1、2 功率半导体器件工作频率及电压范围图1、3 功率半导体器件工作频率及电流范围二不同结构得功率MOSFET特性介绍功率MOSFET得优点主要有驱动功率小、驱动电路简单、开关速度快、工作频率高,随着工艺得日渐成熟、制造成本越来越低,功率MOSFET应用范围越来越广泛。
我们下面主要介绍一些不同结构得MOSFET得特性。
VVMOSFET图2、1 VVMOS结构示意图VVMOS采用各向异性腐蚀在硅表面制作V 形槽,V形槽穿透P与N+连续扩散得表面,槽得角度由硅得晶体结构决定,而器件沟道长度取决于连续扩散得深度。
在这种结构中,表面沟道由V 形槽中得栅电压控制,电子从表面沟道出来后乡下流到漏区。
由于存在这样一个轻掺杂得漂移区且电流向下流动,可以提高耐压而并不消耗表面得面积。
这种结构提高了硅片得利用率,器件得频率特性得到很大得改善。
同时存在下列问题:1,V形槽面之下沟道中得电子迁移率降低;2,在V槽得顶端存在很强得电场,严重影响器件击穿电压得提高;3,器件导通电阻很大;4,V槽得腐蚀不易控制,栅氧暴露,易受离子玷污,造成阈值电压不稳定,可靠性下降。
功率半导体器件
4 学习要点
◆按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其 它新型器件的顺序，分别介绍各种功率半导体器件的工作 原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一 些问题。
■学习要点
◆最重要的是掌握其基本特性。
◆掌握功率半导体器件的型号命名法，以及其参数和特 性曲线的使用方法。
4
2 应用功率半导体器件的系统组成
■功率半导体器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱 动
电路和以功率半导体器件为核心的主电路组成一个系统。
检测
控
电路
制
保护
电
电路
路
驱动
V1 LR
V2
主电路
电路
电气隔离
图2-1 功率半导体器件在实际应用中的系统组成
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3 功率半导体器件的分类
■按能够被控制电路信号所控制的程度 ◆不可控器件 ☞功率二极管（Power Diode） ☞不能用控制信号来控制其通断。 ◆半控型器件 ☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器
◆ PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电 压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为 截止的工作状态，这就叫反向击穿。
☞按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式 。 ☞反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一 定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。 ☞否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。
◆为减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在 开关状态。
◆由电子电路来控制 ,而且需要驱动电路。
◆自身的功率损耗通常仍远大于电子器件，在其 工作时一般都需要安装散热器。
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1.功率半导体器件的概念和特征
☞功率半导体器件的功率损耗 通态损耗