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1、现代电力电子学,第3章 现代电力电子器件,3.1 概述 3.2 电力电子器件原理与特性 3.3 现代整流二极管 3.4 功率MOS 3.5 绝缘栅双极晶体管(IGBT) 3.6 宽禁带半导体电力电子器件 3.7 本章小结,3.1 概述,3.1.1 电力电子器件概述 3.1.2 发展沿革与趋势,3.1.1 电力电子器件概述,1.电力电子器件的基本构成 2.电力电子器件的分类及其特点,1.电力电子器件的基本构成,1) PN结：P型(以带正电的空穴作为主要载流子)和N型(以电子为主要载流子)半导体薄层或微区在原子尺度上的紧密结合体；P层和N层为同种材料者叫同质结，为不同材料者叫异质结。 2) 金属-
2、半导体肖特基势垒接触(MES)：有选择的金属薄层与半导体表面的紧密接触，具有类似于PN结的单向导电性。 3) 金属-氧化物-半导体系统(MOS)：半导体硅表面经氧化处理后再淀积一层金属薄膜构成的3层系统，例如Al-SiO2-Si系统。,2.电力电子器件的分类及其特点,图3-1 主要双极电力电子器件的构造示意图,电力电子器件按功能分为整流和开关两大类，按基本工作原理分为单极器件、双极器件和复合型器件三大类。单极器件指仅由一种载流子(N型半导体中的电子或P型半导体中的空穴，即多数载流子)导电的器件，双极器件指额外载流子(热平衡统计数之外的载流子)也参与导电，而且对器件特性产生重要影响的器件。双极器
3、件完全以PN结作为基本构成元素，其电导调制效应即归功于PN结正向导通时的额外载流子注入。,2.电力电子器件的分类及其特点,图3-2 普通SBD和带PN结的SBD,2.电力电子器件的分类及其特点,图3-3 P沟和N沟平面MOSFET,2.电力电子器件的分类及其特点,图3-4 功率MOS和IGBT结构示意图,2.电力电子器件的分类及其特点,图3-5 SIT和SITH结构示意图,20世纪50年代中后期之前，在电力系统中起整流和开关作用的有源电子器件主要是真空管和离子管等电真空器件。 自20世纪70年代中后期起，各种通、断两态双可控的大功率开关器件逐渐开始推广应用。,3.1.2 发展沿革与趋势,3.1
4、.2 发展沿革与趋势,图3-6 50V功率MOSFET的比电阻同结构 单元的重复距离及工艺水平的关系,3.1.2 发展沿革与趋势,图3-7 功率集成电路的基本功能与构成,3.2 电力电子器件原理与特性,3.2.1 整流原理与阻断特性 3.2.2 开关原理与频率特性 3.2.3 电导调制原理与通态特性 3.2.4 功率损耗原理与高温特性,3.2.1 整流原理与阻断特性,1. PN结 2.肖特基势垒接触,1. PN结,当同一种半导体的N型薄层和P型薄层紧密结合成PN结时，二者之间同种载流子密度的悬殊差异引起空穴从P区向N区、电子从N区向P区扩散。对P区，空穴离开后留下了不可动的带负电的电离受主，形
5、成负空间电荷区。同样，电子的扩散在PN结附近的N型侧形成一个由不可动的电离施主构成的正空间电荷区。这些空间电荷产生从N区指向P区的电场，称之为自建电场。 PN结空间电荷区及其自建电场的建立，反映在载流子的能量关系上就是如图3-8所示的能带弯曲。,1. PN结,图3-8 热平衡状态下的PN结能带图,1. PN结,外加电压使PN结偏离热平衡状态，空间电荷区及其中的能带弯曲发生相应改变，并有相应的电流产生。对P区接正、N区接负的正偏置状态，外加电压U在空间电荷区内产生与自建电场方向相反的电场，使总电场强度降低，空间电荷减少，空间电荷区变窄，势垒高度也相应地由qVD降低到q(VD-U)，如图3-9a所
6、示。少子注入提高了P区和N区的载流子密度，改善了PN结的导电性。由于少子的注入量与正偏压的大小有关，因而导电性的改善程度依赖于电压的大小。这就是电导调制，是PN结的基本效应之一，是双极器件通流能力强的根本原因。对P区接负、N区接正的反偏置状态，偏压-U在空间电荷区中产生的电场与自建电场方向一致，因而使空间电荷区展宽，电场升高，势垒高度由qVD增高至q(VD+U)，如图3-9b所示。,1. PN结,图3-9 正偏置PN结和反偏置PN结的能带结构示意图,1. PN结,1. PN结,PN结有三种不同的击穿机制，分别是雪崩击穿、隧道击穿和热电击穿。 (1) 雪崩击穿 (2) 隧道击穿 (3) 热电击穿
7、(二次击穿),1. PN结,图3-10 一个理想硅PN结的伏安特性曲线,(1) 雪崩击穿,(1) 雪崩击穿,(2) 隧道击穿,图3-11 重掺杂PN结的隧道击穿,(3) 热电击穿(二次击穿),(3) 热电击穿(二次击穿),图3-12 PN结热电击穿时的 反向伏安特性,2.肖特基势垒接触,2.肖特基势垒接触,图3-13 的金属-N型半导体 接触前后的能带图,2.肖特基势垒接触,图3-14 N型半导体肖特基势垒接触在不同偏置状态下的电子势垒,3.2.2 开关原理与频率特性,1. MOS栅原理 2. PN结与MES栅原理 3.电流控制型器件的开关原理 4. PN结的反向恢复过程与双极器件的开关特性,
8、1. MOS栅原理,规定表面的电势比内部高时，VS取正值，反之取负值。表面势及空间电荷区内电荷的极性随加在金属-半导体间电压(栅压)UG的变化而变化，表现为载流子堆积、耗尽和反型三种不同特征。(1) 多数载流子累积 (2) 多数载流子耗尽 (3) 少子变多子的反型状态,图3-15 P型MOS结构在各种下的空间电荷分布和能带图 a) 多数载流子累积 b) 多数载流子耗尽 c) 反型,1. MOS栅原理,(1) 多数载流子累积,当UG0(即金属接负)时，表面势VS为负值，半导体表面层能带向上翘，但费米能级在热平衡条件下保持不变，如图3-15a所示。这时，越靠近表面，价带顶距费米能级越近，空穴密度越
9、高。单就表面而言，只要表面势随栅压绝对值的升高有一点下降，表面这个地方的空穴密度就会相对于体内有明显的升高，形成空穴的累积层，电导率比零栅压时高。由于电离杂质的分布并不因UG而改变，因而此时表面层因负栅压引起的空穴累积而带正电。 这种用外加电压累积多数载流子而提高表层导电能力的方法对改善器件性能十分有效，在场效应器件中常有应用。,(2) 多数载流子耗尽,当UG0(即金属接正)时，表面势VS为正值，能带在表面附近向下弯曲，形成高度为qVS的空穴势垒，如图3-15b所示。这时，价带顶随着UG的增大而在表面附近逐渐远离费米能级，空穴密度随之降低。表面层因空穴的退出而带负电，电荷密度基本上等于电离受主
10、杂质浓度。表面层的这种状态称作载流子耗尽。这时，表面空穴密度随VS绝对值的升高而指数衰减。如果表面势垒qVS足够高，耗尽近似能够成立，则此时耗尽层内的电场、电势分布和能带弯曲的情形跟突变PN+结中P型一侧空间电荷区的情形完全相同，其宽度亦可按式(3-3)求出。,(3) 少子变多子的反型状态,(3) 少子变多子的反型状态,(3) 少子变多子的反型状态,(3) 少子变多子的反型状态,图3-16 临界强反型条件下 的能带图,(3) 少子变多子的反型状态,(3) 少子变多子的反型状态,2. PN结与MES栅原理,空间电荷区中的自由载流子密度极低，利用PN结或MES结构在反向偏置条件下形成的空间电荷区，
11、不但可以在整流电路中阻断反向电压，也可在电路开启的情况下，利用空间电荷区的扩展和势垒的升高将电流通路夹断。电路需要重新开启时，只须取消反向偏置电压。由于反向偏置是PN结和MES结构的高阻状态，因而这种形式的栅跟MOS栅一样具有功耗低、反应快、驱动电路简单等优点。,2. PN结与MES栅原理,利用反偏PN结做栅制成的常开型开关器件，除图3-5所示的SITH和SIT之外，最典型的还有JFET(结型场效应晶体管)。这种器件因其开关速度高而广泛应用于微波功率控制。 利用反偏MES结构做栅，可以弥补砷化镓等高电子迁移率材料和氮化镓等宽禁带材料因不能生长天然氧化物而难以制造高迁移率MOSFET的不足，由此
12、制成的开关器件MESFET(肖特基栅场效应晶体管)，是重要的微波功率器件，尤其对微波单片集成电路(MMIC)的开发具有举足轻重的作用。,3.电流控制型器件的开关原理,(1) BJT开关原理 (2) 普通晶闸管和GTO的开关原理,(1) BJT开关原理,图3-17 共射极连接NPN 晶体管示意图,(2) 普通晶闸管和GTO的开关原理,图3-18 晶闸管门极触 发机构示意图,(2) 普通晶闸管和GTO的开关原理,图3-19 PN结二极管关断过程示意图,4. PN结的反向恢复过程与双极器件的开关特性,3.2.3 电导调制原理与通态特性,1. PN结的电导调制作用 2.器件的通态特性,1. PN结的电
13、导调制作用,1. PN结的电导调制作用,2.器件的通态特性,图3-20 通态功率MOS的等效 电阻示意图,2.器件的通态特性,3.2.4 功率损耗原理与高温特性,1.功率损耗 2.结温与热阻 3.高温特性,1.功率损耗,(1) 通态损耗 (2) 开关损耗 (3) 驱动损耗 (4) 断态漏电损耗,1.功率损耗,(1) 通态损耗,(2) 开关损耗,(3) 驱动损耗,(4) 断态漏电损耗,2.结温与热阻,2.结温与热阻,2.结温与热阻,图3-21 连续功率脉冲引起的结温变化 a) 低频 b) 高频,2.结温与热阻,3.高温特性,(1) 高温通态特性 (2) 高温阻断特性,(1) 高温通态特性,(2)
14、 高温阻断特性,(2) 高温阻断特性,3.3 现代整流二极管,3.3.1 普通肖特基势垒二极管 3.3.2 PN结-肖特基势垒复合二极管 3.3.3 MOS-肖特基势垒复合二极管 3.3.4 改进的PIN二极管,3.3.1 普通肖特基势垒二极管,图3-22 不同整流二极管正向 特性的比较,3.3.1 普通肖特基势垒二极管,图3-23 硅SBD功耗随温度和 势垒高度的变化,3.3.1 普通肖特基势垒二极管,3.3.2 PN结-肖特基势垒复合二极管,1. JBS(Junction Barrier SBD) JBS是一种利用反偏PN结的空间电荷区为SBD承受较高反向偏压，从而可使其适当降低肖特基势垒
15、以保持较低正向压降的复合结构型器件，其结构剖面如图3-24所示。 2. MPS(Merged PN Junction SBD) MPS的结构类似于图3-24所示的JBS复合结构，但其设计目标和设计方法都与JBS不同。MPS的创意在于引进PN结的电导调制作用降低SBD在高密度正向电流下的压降。,1. JBS(Junction Barrier SBD),图3-24 JBS结构剖面图,2. MPS(Merged PN Junction SBD),PIN二极管一般需要在通态损耗和开关损耗之间进行折衷。PIN二极管反向恢复电流较大的主要原因是正向导通时I区(N-漂移区)存储的额外载流子密度较大。MPS正
16、向电流密度较高时虽然也有明显的额外载流子注入，但这些载流子相对于PIN二极管中的注入载流子而言多一条360的横向扩展路径，这既提高了注入比，也提高了复合率，因而其存储载流子的密度不高，反向恢复电流较小。计算机模拟表明MPS正向导通时的存储电荷密度只是相同规格PIN二极管的1/4左右。由于MPS反向恢复电流的减小不是通过缩短额外载流子寿命来实现的，因而其正向压降不会升高。,将MOS结构结合到SBD之中，利用MOS结构在适当偏压下的载流子耗尽作用(见图3-15b)，也可像JBS那样在肖特基势垒区之下再形成一个空间电荷区，使低势垒SBD的反向漏电流大幅度极低。这种器件名叫TMBS(Trench MOS-Barrier SBD)，其结构如图3-25所示。,3.3.3 MOS-肖特基势垒复合二极管,3.3.3 MOS-肖特基势垒复合二极管,图3-25 TMBS结构示意图,不借助于其他器件元素，也不必缩短额外载流子寿命(这会影响其他特性)，功率PIN二极管的反向恢复特性可以通过PN结自身的结构变化得到明显改善。这就是图3-26所示的SSD(Static Screened Diode)。这
