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1、目 录第一章 电力半导体器件的发展概况51.1 电力半导体器件与电力电子技术51.2 电力半导体器件的分类与发展61.2.1 双极型电力半导体器件61.2.2 MOS结构电力半导体器件91.2.3电力整流管121.2.4功率集成电路（PIC）131.3新型半导体材料在电力半导体器件中的应用13第二章 电力整流管152.1 电力整流二极管的基本结构和类型152.1.1功率二极管的基本结构152.1.2 功率整流管的基本类型15 2.2 PN结二极管162.2.1整流方程162.3 PIN二极管172.3.1 PIN二极管的一般理论172.3.2 PIN二极管的正向特性192.3.3降低二极管正向
2、压降的途径242.3.4 PIN二极管的反向恢复262.4 二极管的反向耐压特性与耐压设计282.4.1 单边突变结（P-N）结的雪崩击穿电压282.4.2 P+NN+二极管的击穿电压29 2.4.3二极管耐压的设计302.5 表面造型与保护322.5.1表面电场与表面击穿32 2.5.2结的的边缘造型技术33 2.5.3 整流管的表面造型372.5.4 P-N结的表面钝化与保护372.6 快速整流管402.6.1 反向恢复时间402.6.2 快速整流管高频应用的原理402.6.3快速整流管的电参数412.7 肖特基整流管412.7.1肖特基势垒的伏安特性412.7.2 肖特基整流管的结构及其
3、电参数的特色422.8 MPS二极管432.8.1MPS二极管的结构442.8.2 MPS二极管的静态特性442.8.3瞬态特性46第三章 巨型晶体管(GTR)483.1 达林顿晶体管483.1.1简单级连达林顿晶体管483.1.2 实用功率达林顿晶体管493.1.3 功率达林顿晶体管中得电阻503.1.4 R1阻值与Ib、Icm的关系523.1.5 R1 、R2电阻阻值对器件开关特性得影响533.2 功率达林顿器件的版图设计方法543.3 功率达林顿器件的纵向结构与参数设计553.3.1 高阻层厚度及电阻率的确定563.3.2结深的控制原则563.3.3基区表面浓度与次表面浓度对器件性能的影
4、响573.4 功率达林顿晶体管的特性曲线583.4.1 BVEBO特性曲线583.4.2 BVCEO曲线583.4.3输出特性曲线593.5 GTR模块及其特点593.6 GTR芯片的设计613.6.1发射区图形的设计613.6.2 GTR芯片内部各管面积的分配623.6.3 GTR芯片内部电阻R1R3的设计633.6.4芯片设计中电阻对GTR性能影响的定量分析643.7 GTR结构的设计643.7.1 GTR的内部结构653.7.2 GTR的外部结构673.7.3 GTR的电路结构68第四章 晶闸管静态特性704.1 概述704.1.1基本结构和基本特性704.1.2基本工作原理724.2
5、晶闸管的耐压能力734.2.1PNPN结构的反向转折电压734.2.2 PNPN结构的正向转折电压754.2.3晶闸管的高温特性764.3 晶闸管最佳阻断参数的确定794.3.1最佳正、反向阻断参数的确定794.3.2 因子设计法824.3.3 P2区相关参数的估算844.4 晶闸管的门极特性与门极参数的计算894.4.1 晶闸管的触发方式894.4.2 门极参数934.4.3门极触发电流、触发电压的计算934.3.3中心放大门极触发电流、电压的计算964.5 晶闸管的通态特性994.5.1通态特征分析994.5.2 计算晶闸管正向压降的模型1014.5.3 正向压降的计算103第五章 晶闸管
6、动态特性1095.1晶闸管的开通过程与特性1095.1.1 晶闸管开通时的电流电压变化1095.1.2 开通过程1115.1.3 开通时间1125.1.4 等离子区的扩展1155.1.5 开通过程中的功率损耗1185.2 通态电流临界上升率1195.2.1 开通过程中的电流上升率(di/dt)1195.2.2 提高di/dt耐量的措施1205.3 断态电压临界上升率1235.3.1 dv/dt引起的开通1235.3.2 提高dv/dt耐量的途径1245.4 关断特性1265.4.1 关断方法1265.4.2 关断的物理过程1275.4.3 关断时间与元件参数之间的关系1305.4.4 减小关断
7、时间的措施131第六章 耗散功率与散热1336.1耗散功率1336.1.1通态耗散功率1336.1.2 开通耗散功率1346.1.3 关断耗散功率1346.1.4 阻断耗散功率1346.1.5 门极耗散功率1356.2散热1356.2.1 自然冷却散热1366.2.2 风冷散热1366.2.3水冷散热1376.2.4油冷散热1376.2.5沸腾冷却散热138第七章 晶闸管的设计1397.1 晶闸管设计的特点及原则1397.1.1 晶闸管设计的特点1397.1.2 设计方法与步骤1397.1.3 晶闸管的设计原则1397.2 晶闸管设计方法1407.2.1 设计思想1407.2.2 晶闸管设计的
8、主要因素1407.2.3 纵向结构的设计1417.2.4 横向结构（门极阴极图形）设计1447.3 晶闸管设计举例1487.3.1 设计技术指标1487.3.2 设计思想1487.3.3 设计计算1487.3.4 验算152第一章 电力半导体器件的发展概况1956年可控硅整流器(英文缩写SCR，泛称晶闸管)的发明并于次年由GE公司推出商品，是半导体应用由弱电跨入强电的里程碑。其后平面工艺和外延技术的发明，又使半导体器件向两大分支发展：一支以晶体管或其它半导体器件组成愈来愈小的集成电路，为适应微型化发展，形成了以半导体集成电路为主体的新兴学科一微电子学；另一分支则是以晶闸管为主体的功率(电力)半
9、导体分立器件，向愈来愈大的功率方向发展，为解决电力电子与控制技术形成了以静态功率变换和电子控制为主要内容的新兴边缘学科电力电子学。1.1 电力半导体器件与电力电子技术1973年，Newell在第四届硅电力电子学专家会议（PESC）上提出，电力电子学是介于电器工程三大领域：电力、电子与控制之间的边缘学科，并用图11的所谓“倒三角”定义来说明。这一定义已被国际上所公认。根据“倒三角”定义，电力电子学就是已晶闸管为主体的功率（电力）半导体器件为核心部件，跨于电力、电子和控制三大领域的一门边缘学科。图11 电力电子学“倒三角”定义作为边缘学科的电力电子学，它所包含的内容及其广泛，既有半导体器件问题，也
10、有电路、控制、装置即器件的应用问题。尽管它们都有各自的理论装置、系统和发展方向，但它们之间又是相互关联的。电力半导体器件的发展，特别是新型器件的出现和采用，都会以自己的特长占有不同的应用领域，使应用面不断拓宽和扩大；反过来，电力电子技术的发展对器件提出更高的要求，又会促进器件的性能的提高和新器件的发展。因为用什么器件的串、并联技术，用什么样的电路来实现装置设备，反映了器件与线路之间的关系。新的器件能促进电路达到新的水平，而新的电路则可祢补器件性能之不足。为了使电路达到更完善的水平，还必须提高控制水平；这就要求采用新的控制方式和使用新的工具。但是，器件、电路及系统控制的最终目的是要完成一个实用的
11、电力电子装置。由此可见，电力电子学把器件、装置、控制系统紧密地联系在一起，它们相辅相戍，形成一个具有内在系统性的有机体。作为一门应用科学，它广泛应用于科学研究，国民经济中的电力、交通、通讯、冶金、机械、化工、仪器仪表及国防工业等部门，并逐步推广到家用电器等应用领域。特别是电力电子技术作为节能最富有成效的技术之一，已成为发展快、生命力强的技术之一。电力电子技术作为国民经济各项高技术发展的基础技术，为大幅度节能， 机电一体化，提高生产效能提供主要支撑技术，而电力电子技术的核心和基础则是电力半导体器件。1.2 电力半导体器件的分类与发展电力电子技术发展的快慢，在很大程度上取决于电力电子器件的发展水平
12、。器件容量的扩大和结构原理的更新，特别是新型器件的出现都是各种应用技术发展的要求和半导体器件理论、半导体材抖、半导体工艺发展的结果。近几十年来，新技术、新工艺方面就出现了中子姬变掺杂，电子辐照、辐照的寿命控制技术；器件的CAD技术；PN结表面造型及终端技术；器件的高可靠技术等；以及由微电子技术引入的精细加工技术，等等。电力半导体器件的基本理论，从电流模式发展到电荷控制模式；出现了短路阴极理论；表面理论；GTO晶闸管从一维关断理论发展为二维关断模式，引入了阳极短路，隐埋门极等新结构；GTR的达林顿结构形式引伸到各种复合器件，并成为MOS一双极型复合器件的基本结构形式；特别是微电子技求与电力器件制
13、造技术相结合所产生的集成功率器件，使得以往不被人们重视的电力半导体一跃而成为高科技发展之列。此外，器件的封装已由压焊发展到压接式和全压接结构。总之，电力半导体已在材料、器件基本理论、设计原理、制造技术等诸方面形成了自己的体系和发展方向，成为半导体的一大独立分支。下面简要介绍各类器件的发展概况。1.2.1 双极型电力半导体器件 50年代第一个晶闸管和双极晶体管成为商品，标志着固态电力电子技术的开始。此后，双极型半控器件(如:晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管等)和全控型器件(门极可关断晶闸管、电力晶体管、静电感应晶闸管等)相继出现，品类繁多，且其电压、电流等额定值得到稳定提高。特别是70年代NTD硅
14、单晶的试制成功，双扩散工艺的成熟以及双正角造型技术的使用，使器件的电压、电流、频率等额定值达到很高水平。图1-1 (a)和(b)分别示出了普通晶闸管、光控晶闸管、快速晶闸管的目前水平及其发展趋势。图1-2 (a)和(b)分别示出了GTO , SITH的目前水平及其发展趋势。虽然这些器件已在电力电子技术领域得到广泛的应用，但由于SCR , LTT等半控器件存在着不能用门极控制其关断，因而需要繁锁、复杂的辅助关断电路；又由于GTO，GTR等全控器件存在着需要较大的控制电流，因而需要由分立器件组成的庞大门极控制电路等原因，使这些器件的发展和使用受到很大的影响。图1-1普通晶闸管、光控晶闸管及快速晶闸管的额定值(a)及其发展趋势(b)图1-2可关断晶闸管、静电感应晶闸管的额定值(a)及其发展趋势(b)目前相控晶闸管已广泛用于直流电机调速，交流风机和水泵的变压调速以及调光、调温等领域。虽然相控方法在交流电网内产生谐波和较差的功率因数，而且其使用正在逐步减少，但这是一种电网电压控制和变换的经济而简便的方法，特别是相控的固有特点是电网电流过零时关断晶闸管
