控西門(mén)康半導(dǎo)體功率模塊應(yīng)用手冊(cè)2015中文版

電氣之家-BibliographicinformationpublishedbytheDeutscheNationalbibliothekThe電氣之家-BibliographicinformationpublishedbytheDeutscheNationalbibliothekTheDeutscheNationalbibliothekliststhispublicationintheDeutscheNationalbibliografie;detailedbibliographicdataisavailableontheInternetunderTheuseofregisterednames,tradenames,hispublicationdoesnotimply,evenintheabsenceofaspecificstatement,thatsuchnamesareexemptfromtherelevantprotectivelawsandregulationsandthereforefreeforgeneraluse.Thismanualhasbeendevelopedanddrawnuptothebestofourknowledge.However,allinformationanddataprovidedisconsiderednon-bindingandshallnotcreateliabilityforus.Publicationofthismanualisdonewithoutconsiderationofotherpatentsorprintedpublicationsandpatentrightsofanythirdparty.Allcomponentdatareferredtointhismanualissubjecttofurtherresearchanddevelopmentand,therefore,istobeconsideredexemplaryonly.Bindingspecificationsareprovidedexclusivelyintheactualproduct-relateddatasheets.Thepublisherreservestherightnottoberesponsiblefortheaccuracy,completenessortopicalityofanydirectorindirectreferencestoorcitationsfromlaws,regulationsordirectives(e.g.DIN,VDI,VDE)inthispublication.Werecommendobtainingtherespectivelyvalidversionsofthecompleteregulationsordirec-tivesforyourownwork.ISLEVerlag2015?SEMIKRONInternational2015Thismanualisprotectedbycopyright.sincludingtherightofreprinting,reproduc-tion,distribution,microfilming,storageindataprocessingequipmentandtranslationinwholeorinpartinanyform.Publishedby:ISLEVerlag,acommercialunitoftheISLEAssociationWerner-von-Siemens-Strasse16,D-98693Ilmenau,GermanyEditedby:SEMIKRONInternationalGmbHSigmundstrasse200,D-90431Nuremberg,Germany電氣之家-前言自從和MOSFET功率模塊應(yīng)用手冊(cè)首次以來(lái)，功率模塊的應(yīng)用發(fā)生了巨大的變化。這種變化，源于人類(lèi)更有效利用石油，減少污染，廣泛使用再生新能源的愿望。從一般的發(fā)展更新(比如在體積，成本和轉(zhuǎn)換效率上的發(fā)展)到應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展(例如在惡劣環(huán)境條件下分散使用)對(duì)功率半導(dǎo)體器件生產(chǎn)提出更高的要求。為了使讀者有一個(gè)更全面的了解，本書(shū)增加了賽米控公司三十多年前在應(yīng)用手冊(cè)中對(duì)功率二極管和晶閘管(可控硅)的描述和實(shí)際的應(yīng)用。本書(shū)主要的是半導(dǎo)體使用客戶，并把以前各種單獨(dú)的解釋進(jìn)行了歸納總結(jié)。為了讓讀者更好的理解，我們對(duì)一些基礎(chǔ)理論作了簡(jiǎn)單的闡述。如果讀者想進(jìn)一步加深理論了解，我們?cè)跁?shū)后列出的參考資料中給出了多種高等學(xué)校的教科書(shū)目錄，可供大家參考。建立在德國(guó)賽米控公司專(zhuān)業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)上，我們向您推薦這本技術(shù)先進(jìn)的應(yīng)用手冊(cè)。它站在、MOSFET功率模塊以及零散或集成的二極管和晶閘管(可控硅電氣之家-前言自從和MOSFET功率模塊應(yīng)用手冊(cè)首次以來(lái)，功率模塊的應(yīng)用發(fā)生了巨大的變化。這種變化，源于人類(lèi)更有效利用石油，減少污染，廣泛使用再生新能源的愿望。從一般的發(fā)展更新(比如在體積，成本和轉(zhuǎn)換效率上的發(fā)展)到應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展(例如在惡劣環(huán)境條件下分散使用)對(duì)功率半導(dǎo)體器件生產(chǎn)提出更高的要求。為了使讀者有一個(gè)更全面的了解，本書(shū)增加了賽米控公司三十多年前在應(yīng)用手冊(cè)中對(duì)功率二極管和晶閘管(可控硅)的描述和實(shí)際的應(yīng)用。本書(shū)主要的是半導(dǎo)體使用客戶，并把以前各種單獨(dú)的解釋進(jìn)行了歸納總結(jié)。為了讓讀者更好的理解，我們對(duì)一些基礎(chǔ)理論作了簡(jiǎn)單的闡述。如果讀者想進(jìn)一步加深理論了解，我們?cè)跁?shū)后列出的參考資料中給出了多種高等學(xué)校的教科書(shū)目錄，可供大家參考。建立在德國(guó)賽米控公司專(zhuān)業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)上，我們向您推薦這本技術(shù)先進(jìn)的應(yīng)用手冊(cè)。它站在、MOSFET功率模塊以及零散或集成的二極管和晶閘管(可控硅)。詳細(xì)用戶的角度上，去了解介紹了它們的基本數(shù)據(jù)，參數(shù)性能和實(shí)際應(yīng)用，比如冷卻，布線，使用拓?fù)浼夹g(shù)的晶體管模塊作為軟開(kāi)關(guān)的應(yīng)用。，保護(hù)，并聯(lián)和串聯(lián)連接和本書(shū)使用了1998年的，由尤瑟夫.路茨博士教授和約根.培卓特合著的“和MOSFET功率模塊”以及由漢斯比特.漢培博士著的“賽米控功率半導(dǎo)體手冊(cè)”的部分內(nèi)容。我們?cè)诖讼蛑弑硎靖兄x。我們?cè)诖诉€要感謝萊納.威斯和烏威.紹也曼博士無(wú)私的專(zhuān)業(yè)幫助和支持。同樣我們還要感謝托馬斯.斯托克馬亞博士，比特.貝克達(dá)，托馬斯.格拉斯霍夫和艾克.遜那以及格林娣.斯達(dá)克在編輯校正所做的貢獻(xiàn)。我們的期望這本書(shū)對(duì)您是有趣的和有用的，如果本書(shū)能對(duì)您從元件選用到實(shí)際設(shè)計(jì)起到幫助作用，深感安慰。歡迎批評(píng)指正。2010年11月紐倫堡，德累斯頓，意曼瑙著者：阿倫特.文特里希博士烏里希.尼古萊博士托比亞斯.萊曼博士教授文納.圖斯基博士電氣之家-電氣之家-電氣之家-目錄內(nèi)容1功率半導(dǎo)體的工作原理 1功率半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí) 1電力電子開(kāi)關(guān) 5基本理論 13功率半導(dǎo)體的應(yīng)用及目前的局限 13電源整流器 17二極管 17一般定義 17基本原理 18靜態(tài)特性 20動(dòng)態(tài)特性 20電氣之家-目錄內(nèi)容1功率半導(dǎo)體的工作原理 1功率半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí) 1電力電子開(kāi)關(guān) 5基本理論 13功率半導(dǎo)體的應(yīng)用及目前的局限 13電源整流器 17二極管 17一般定義 17基本原理 18靜態(tài)特性 20動(dòng)態(tài)特性 202.2.2 晶閘管 一般定義 22基本原理 23靜態(tài)特性 25動(dòng)態(tài)特性 26續(xù)流二極管和緩沖二極管 28結(jié)構(gòu)和原理 28肖特基二極管 29PIN二極管 30靜態(tài)特性 32導(dǎo)通特性 32關(guān)斷特性 33動(dòng)態(tài)特性 34開(kāi)通特性 34關(guān)斷特性 35動(dòng)態(tài)堅(jiān)固性 432.4功率MOSFET和................................................................................................432.4.1 結(jié)構(gòu)和原理 4..模塊 46靜態(tài)特性 48開(kāi)關(guān)特性 49發(fā)展................................................................................................54MOSFET功率模塊 61靜態(tài)特性 63開(kāi)關(guān)特性 66MOSFET現(xiàn)狀和發(fā)展 69連接和封裝技術(shù)(AVT) 72封裝技術(shù) 7焊接 73擴(kuò)散燒結(jié)(NTV，低溫連接技術(shù)) 73焊線 75連接 75安裝和端術(shù) 76有底板和無(wú)底板模塊 782.5.2 任務(wù)和特性 80絕緣性 80散熱傳導(dǎo)和熱阻 82抗負(fù)載變化能力 91主要接口的電流 91低電感內(nèi)部結(jié)構(gòu) 92耦合電容 93電路的復(fù)雜性 94I電氣之家-在模塊發(fā)生故障時(shí)安全行為的定義 96環(huán)境無(wú)害的再循環(huán) 96分立元件 9小型整流元件 97螺絲狀二極管和晶閘管 98插片元件（單元） 98SEMiSTART? 992.5.4 功率模塊 100基礎(chǔ)知識(shí) 100與二極管和晶閘管模塊系列 101和續(xù)流二極管模塊系列 104傳感器、安全裝置和驅(qū)動(dòng)器的集成 110集成電流測(cè)量模塊 110集成了溫度測(cè)量模塊 111IPM(智能功率模塊) 1142.7可靠性 MTBF(平均故障間隔)電氣之家-在模塊發(fā)生故障時(shí)安全行為的定義 96環(huán)境無(wú)害的再循環(huán) 96分立元件 9小型整流元件 97螺絲狀二極管和晶閘管 98插片元件（單元） 98SEMiSTART? 992.5.4 功率模塊 100基礎(chǔ)知識(shí) 100與二極管和晶閘管模塊系列 101和續(xù)流二極管模塊系列 104傳感器、安全裝置和驅(qū)動(dòng)器的集成 110集成電流測(cè)量模塊 110集成了溫度測(cè)量模塊 111IPM(智能功率模塊) 1142.7可靠性 MTBF(平均故障間隔)，MTTF(平均工作時(shí)間)和FIT(故障率) 115按Arrhenius方法的測(cè)試 116標(biāo)準(zhǔn) 117測(cè)試熱鎖定時(shí)間測(cè)試(HTRB)，柵極疲勞測(cè)試(HTGB)，濕熱測(cè)試(THB) 118高低溫溫度循環(huán)變化試驗(yàn)(TC) 118負(fù)載循環(huán)變化試驗(yàn)(PC) 119振動(dòng)試驗(yàn) 1202.7.4 彈簧連接的附加試驗(yàn) 1微振動(dòng)(顫動(dòng)) 120腐蝕性氣體(氣體實(shí)驗(yàn)) 121熱變化中的電路板連接 121負(fù)荷變化時(shí)的失效機(jī)理 122溫度變化對(duì) 的影響 1263MOSFET,,二極管和晶閘管的數(shù)據(jù)文件 1313.1標(biāo)準(zhǔn)，符號(hào)和術(shù)語(yǔ) 13..4標(biāo)準(zhǔn) 131符號(hào)和概念 131極限值，額定值 133元器件(類(lèi)型)標(biāo)號(hào) 1333.2電力二極管和晶閘管 13..4溫度 134熱阻抗和熱阻 136機(jī)械數(shù)據(jù) 138功率二極管 13極限值 138額定值 141曲線圖 143.2.5 晶閘管 14極限值 146額定值 148曲線圖 156二極管和晶閘管模塊 157極限值，額定值 15曲線圖 1573.3模塊 1583.3.1 極限值 160的極限值 160集成反向二極管(續(xù)流二極管)的極限值 162II電氣之家-模塊結(jié)構(gòu)的極限值 1633.3.2 額定值 16的額定值 164混合集成反向二極管(續(xù)流二極管)額定值 170模塊結(jié)構(gòu)的額定值 1723.3.3 曲線圖 1733.3.4 開(kāi)關(guān)的區(qū) 18單脈沖式和周期開(kāi)通的最大區(qū)(SOA) 181區(qū)(RBSOA) 182區(qū) 183周期關(guān)斷的最大短路時(shí)的最大3.4MOSFET功率模塊 1843.4.1 極限值 電氣之家-模塊結(jié)構(gòu)的極限值 1633.3.2 額定值 16的額定值 164混合集成反向二極管(續(xù)流二極管)額定值 170模塊結(jié)構(gòu)的額定值 1723.3.3 曲線圖 1733.3.4 開(kāi)關(guān)的區(qū) 18單脈沖式和周期開(kāi)通的最大區(qū)(SOA) 181區(qū)(RBSOA) 182區(qū) 183周期關(guān)斷的最大短路時(shí)的最大3.4MOSFET功率模塊 1843.4.1 極限值 18功率模塊MOSFET的正向極限值 184反向二極管的極限值(MOSFET功率模塊在反向工作狀態(tài)) 185模塊結(jié)構(gòu)的極限值 1853.4.2 額定值 18MOSFET功率模塊的額定值 186反向二極管額定值(反向功率MOSFET) 189模塊的機(jī)械額定值 1903.4.3 曲線圖 1903.5功率模塊的CI，CB和CIB 1963.6智能集率模塊的額外的數(shù)據(jù)文件 1983.6.1 SKiiP 19功率的極限值 201SKiiP驅(qū)動(dòng)的極限值 201SKiiP的額定值 203SKiiP驅(qū)動(dòng)的額定值 2054晶閘管和功率二極管的應(yīng)用 209晶閘管和整流二極管的設(shè)計(jì)選擇 209反向截止電壓 209整流二極管 210連續(xù)運(yùn)行的熱負(fù)荷 210短期和間歇性負(fù)載 211在更高頻率時(shí)的負(fù)載 212在10毫秒左右的沖擊(浪涌)電流的極限值 24.1.3 晶閘管 2連續(xù)運(yùn)行負(fù)載 213短期和間歇性負(fù)載 215在10毫秒左右的沖擊(浪涌)電流的極限值 216臨界的電流和電壓變化梯度 216激發(fā)特性 晶閘管-二極管模塊 217橋式整流器 219SemiSel軟件 2194.2整流元件的散熱 2..44.2.5小功率器件的散熱 222散熱片 222散熱器 225強(qiáng)制空氣冷卻 227插件元件的水冷卻 2304.3晶閘管 裝置 230..4驅(qū)動(dòng)脈沖的形式 230六脈沖橋電路的器 233轉(zhuǎn)換器 233脈沖生成 234III電氣之家-二極管和晶閘管的錯(cuò)誤處理和保護(hù) 234過(guò)載電壓的一般保護(hù) 234電阻和電容器組成的過(guò)電壓保護(hù)電路 23對(duì)單一整流管保護(hù)電路 235交流一側(cè)的保護(hù)電路 240直流一側(cè)的保護(hù)電路 244利用壓敏電阻的過(guò)電壓保護(hù) 245利用硅雪崩二極管的過(guò)電壓保護(hù)電路 24帶自我保護(hù)的雪崩整流二極管 246雪崩二極管保護(hù)其他元件電氣之家-二極管和晶閘管的錯(cuò)誤處理和保護(hù) 234過(guò)載電壓的一般保護(hù) 234電阻和電容器組成的過(guò)電壓保護(hù)電路 23對(duì)單一整流管保護(hù)電路 235交流一側(cè)的保護(hù)電路 240直流一側(cè)的保護(hù)電路 244利用壓敏電阻的過(guò)電壓保護(hù) 245利用硅雪崩二極管的過(guò)電壓保護(hù)電路 24帶自我保護(hù)的雪崩整流二極管 246雪崩二極管保護(hù)其他元件 247應(yīng)用范圍的限制 247外殼 2484.4.5 二極管和晶閘管的過(guò)電流保 24用于過(guò)電流保護(hù)的前置裝置 248對(duì)冷卻裝置故障的保護(hù)裝置 249同時(shí)對(duì)過(guò)電流以及冷卻裝置故障提供保護(hù)的前置裝置 249短路時(shí)二極管和晶閘管的保護(hù) 250半導(dǎo)體熔斷器定義和解釋 251半導(dǎo)體熔斷器設(shè)計(jì) 254二極管和晶閘管并聯(lián)的串聯(lián)和并聯(lián)電路 260..4晶閘管并聯(lián)電路 260晶閘管串聯(lián)電路 260整流二極管并聯(lián)電路 260整流二極管串聯(lián)電路 2605和MOSFET模塊的應(yīng)用 261和MOSFET模塊的選擇 2615.1工作電壓 261截止電壓(耐壓) 261絕緣配置 正向電流 268對(duì)在整流器和逆變器中續(xù)流二極管的要求 269開(kāi)關(guān)頻率 271功率晶體管的熱力學(xué)分析 273單獨(dú)損耗和總損耗 274直流電壓調(diào)節(jié)器 275PWM電壓逆變器 277結(jié)層溫度的計(jì)算 27熱等效電路 279在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的結(jié)層溫度(平均值分析) 282短時(shí)間工作的結(jié)層溫度 283基頻時(shí)的結(jié)層溫度 2855.2.3 利用SemiSel計(jì)算功耗和溫度 28溫度和功耗的計(jì)算的應(yīng)用公式 287選擇電路 288電氣條件 288元件選擇 289熱力條件 290結(jié)果 292功率模塊的冷卻 294熱模型的冷卻裝置 294影響熱阻的因素 29熱源數(shù) 295熱擴(kuò)散 296熱源在冷卻器的位置 297確定Rth的測(cè)量點(diǎn) 297IV電氣之家-自然空氣冷卻(自由對(duì)流) 298強(qiáng)制空氣冷卻 29冷卻概況 299壓降和風(fēng)量 300風(fēng)機(jī)(風(fēng)扇，鼓風(fēng)機(jī)) 301高原應(yīng)用 3025.3.5 水冷卻 30和水量，試驗(yàn).................................................................................305冷卻液,冷卻系統(tǒng)和化學(xué)要求 306安裝和放氣 308其他的液體冷卻方法 3095.3.6 熱管 3125.3.7 熱串聯(lián)(熱堆) 3確定額外的熱阻抗電氣之家-自然空氣冷卻(自由對(duì)流) 298強(qiáng)制空氣冷卻 29冷卻概況 299壓降和風(fēng)量 300風(fēng)機(jī)(風(fēng)扇，鼓風(fēng)機(jī)) 301高原應(yīng)用 3025.3.5 水冷卻 30和水量，試驗(yàn).................................................................................305冷卻液,冷卻系統(tǒng)和化學(xué)要求 306安裝和放氣 308其他的液體冷卻方法 3095.3.6 熱管 3125.3.7 熱串聯(lián)(熱堆) 3確定額外的熱阻抗 313空氣冷卻預(yù)熱的計(jì)算 314冷卻水預(yù)熱的計(jì)算 315布線，寄生元件，電磁感應(yīng) 316寄生電感和電容 316電磁干擾和對(duì)電網(wǎng)的反饋 3轉(zhuǎn)換器的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程 318干擾的...................................................................................................319途徑 321電磁干擾的其他.....................................................................................323保護(hù)措施 3235.5組件 325組件的定義 325平板式組件 3帶標(biāo)準(zhǔn)模塊的平板組件 326SKiiPSTACK平板 327絡(luò)電路 的平板組件例子 330用晶閘管，二極...6SKAI:車(chē)輛使用的元件組件系統(tǒng) 332驅(qū)動(dòng)器 333柵級(jí)電流和柵極電壓 333參數(shù)和開(kāi)關(guān)特性 337驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu) 340保護(hù)和監(jiān)視功能 342時(shí)間常數(shù)和互鎖功能 343信號(hào)和驅(qū)動(dòng)能量的傳輸 34數(shù)據(jù)及其反饋 346驅(qū)動(dòng)功率 34單片和混合集成電路的驅(qū)動(dòng)電路 348SEMIDRIVER 349故障處理和防護(hù) 故障類(lèi)型 352過(guò)載及短路特性 355故障檢測(cè)與防護(hù) 35故障電流的檢測(cè)和降低 360過(guò)電壓的限制 362過(guò)熱檢測(cè) 3705.8并聯(lián)和串聯(lián) 3705.8.1 并聯(lián) 370均流問(wèn)題 370對(duì)稱(chēng)性的措施 378減額 380V電氣之家-SKiiP并聯(lián)特點(diǎn) 3815.8.2 串聯(lián) 38電壓均衡問(wèn)題 383電壓均衡性的措施 384結(jié)論 3895.9ZVS或ZCS軟開(kāi)關(guān)與開(kāi)關(guān)緩沖網(wǎng)絡(luò) 電氣之家-SKiiP并聯(lián)特點(diǎn) 3815.8.2 串聯(lián) 38電壓均衡問(wèn)題 383電壓均衡性的措施 384結(jié)論 3895.9ZVS或ZCS軟開(kāi)關(guān)與開(kāi)關(guān)緩沖網(wǎng)絡(luò) 目標(biāo)和應(yīng)用 389開(kāi)關(guān)緩沖網(wǎng)絡(luò) 389軟性開(kāi)關(guān)(軟開(kāi)關(guān)) 39功率半導(dǎo)體要求 391對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)器的要求 395開(kāi)關(guān)特性 397結(jié)論 406注意事項(xiàng)和環(huán)境條件 4036.16.2靜電敏感度和保護(hù)措施 403存貯、 和工作的環(huán)境條件 40..4氣候環(huán)境條件 405機(jī)械環(huán)境條件 405生物環(huán)境條件 407化學(xué)活腐蝕性物質(zhì)的對(duì)環(huán)境的影響 407物理活性物質(zhì)對(duì)環(huán)境的影響 407高海拔地區(qū)工作的特殊性 408對(duì)濕度的限制和避免出現(xiàn)冷凝 410結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總結(jié) 4..86.3電源模塊的安裝 4..4散熱器安裝表面 413熱耦合模塊-使用導(dǎo)熱介質(zhì)的散熱器 414把模塊安裝到散熱器表面 419電氣連接 4206.4安裝插件模塊 421輔助軟件 425SemiSel軟件 425程序的組合 4267.1.2 操作 426半導(dǎo)體模型 4靜態(tài)模型 427狀態(tài)模型 428物理基礎(chǔ)和工作模型 429參考文獻(xiàn) 431賽米控公司數(shù)據(jù)文件縮寫(xiě)表 436VI電氣之家-2基本理論2基本論2.1體及前隨著大功率半導(dǎo)體的發(fā)展和完善，已經(jīng)使它在電子工程的各項(xiàng)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。在日益增長(zhǎng)的對(duì) 保護(hù)需求(例如能源節(jié)約問(wèn)題)，在新生能源(如風(fēng)力和光伏發(fā)電)和在潔凈的化石在純電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)中所使用的)，這種發(fā)展表現(xiàn)出強(qiáng)勁增長(zhǎng)的活力。方面(如這種發(fā)展也明顯了系統(tǒng)成本和使用范圍，提高了能源生產(chǎn)和降低了能耗?！暗筒牧舷?低成本”和“高效率”的部件對(duì)未來(lái)來(lái)十分重要的意義。圖2.1.1顯示目前市場(chǎng)上提供的可控的功率半導(dǎo)體最高電壓和電流值。通過(guò)對(duì)功率半導(dǎo)體和半導(dǎo)體器件并聯(lián)和串聯(lián)的連接，現(xiàn)在可以轉(zhuǎn)換幾乎所有的電能源的形式，通過(guò)這種方式不但使我們能把電能轉(zhuǎn)換成其他能源形式，而且可以從別的能源形式獲得電能。10000ThyristorGTO1000MOSFET1001010010003600600010000Current[A]DiscretedevicesModulesDiscs2.1.1目前可功率半導(dǎo)體電流電壓和電流局限在圖2.1.2a)顯示了傳統(tǒng)不同功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)頻率范圍。圖2.1.2b)顯示了其最重要的用途和局限性。13Votage[V]電氣之家-2基本理論2基本論2.1體及前隨著大功率半導(dǎo)體的發(fā)展和完善，已經(jīng)使它在電子工程的各項(xiàng)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。在日益增長(zhǎng)的對(duì) 保護(hù)需求(例如能源節(jié)約問(wèn)題)，在新生能源(如風(fēng)力和光伏發(fā)電)和在潔凈的化石在純電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)中所使用的)，這種發(fā)展表現(xiàn)出強(qiáng)勁增長(zhǎng)的活力。方面(如這種發(fā)展也明顯了系統(tǒng)成本和使用范圍，提高了能源生產(chǎn)和降低了能耗?！暗筒牧舷?低成本”和“高效率”的部件對(duì)未來(lái)來(lái)十分重要的意義。圖2.1.1顯示目前市場(chǎng)上提供的可控的功率半導(dǎo)體最高電壓和電流值。通過(guò)對(duì)功率半導(dǎo)體和半導(dǎo)體器件并聯(lián)和串聯(lián)的連接，現(xiàn)在可以轉(zhuǎn)換幾乎所有的電能源的形式，通過(guò)這種方式不但使我們能把電能轉(zhuǎn)換成其他能源形式，而且可以從別的能源形式獲得電能。10000ThyristorGTO1000MOSFET1001010010003600600010000Current[A]DiscretedevicesModulesDiscs2.1.1目前可功率半導(dǎo)體電流電壓和電流局限在圖2.1.2a)顯示了傳統(tǒng)不同功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)頻率范圍。圖2.1.2b)顯示了其最重要的用途和局限性。13Votage[V]電氣之家-2基本理論(絕緣柵雙極晶體管)作為無(wú)源模塊在從幾千瓦的要的意義，特別是對(duì)“大眾市場(chǎng)”。率到幾兆瓦的大功率網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造有很重2.1.1不同功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)頻率;[1]從80年代中期開(kāi)始，這些和其他一些有主動(dòng)開(kāi)關(guān)功能的大功率半導(dǎo)體器件，如大功率MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)，GTO晶閘管(開(kāi)關(guān)效應(yīng))和集成模塊IGCT(集成晶閘管)，在實(shí)際應(yīng)用和MOSFET電氣之家-2基本理論(絕緣柵雙極晶體管)作為無(wú)源模塊在從幾千瓦的要的意義，特別是對(duì)“大眾市場(chǎng)”。率到幾兆瓦的大功率網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造有很重2.1.1不同功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)頻率;[1]從80年代中期開(kāi)始，這些和其他一些有主動(dòng)開(kāi)關(guān)功能的大功率半導(dǎo)體器件，如大功率MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)，GTO晶閘管(開(kāi)關(guān)效應(yīng))和集成模塊IGCT(集成晶閘管)，在實(shí)際應(yīng)用和MOSFET相對(duì)于其他大功率開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體，如傳統(tǒng)的IGCT中已完全取代了傳統(tǒng)的晶閘管。而和GTO晶閘管，顯示出其一系列的優(yōu)勢(shì)，比如可應(yīng)用于從主動(dòng)的開(kāi)關(guān)到的短路關(guān)閉的任何情況，無(wú)須關(guān)閉整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)它還具有操作簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)時(shí)間短和相對(duì)較低的開(kāi)關(guān)損耗。微電子技術(shù)使生產(chǎn)這些大功率半導(dǎo)體器件變得相對(duì)更容易和成本更低廉。1975年賽米控公司首先在市場(chǎng)推出了采用硅制造的無(wú)源模塊，現(xiàn)在這些模塊被廣泛地應(yīng)用在電流超過(guò)幾十安培的網(wǎng)絡(luò)中。這些模塊通常包含了一定數(shù)量相同或不同的元器件(如，二極管，晶體管和功率二極管)和配件(如溫度或電流傳感器)及開(kāi)關(guān)和保護(hù)部件(智能功率半導(dǎo)體/IPM)。大功率無(wú)源模塊在使用時(shí)需要表面冷卻來(lái)解決散熱問(wèn)題，但它對(duì)比傳統(tǒng)的插片模塊有很多優(yōu)勢(shì)：傳統(tǒng)的插片模塊比無(wú)源模塊多產(chǎn)生大約30%的熱損失，而且必須雙面冷卻。并且無(wú)源模塊比傳統(tǒng)的插片模塊更適合串聯(lián)連接。除了安裝便捷以外，無(wú)源模塊的“集成化”也是一大優(yōu)勢(shì)，根據(jù)不同要求可隨意把不同的元器件組合到一個(gè)模塊集成中并在模塊表面貼上經(jīng)過(guò)絕緣檢驗(yàn)的散熱片。這樣在大批量的生產(chǎn)時(shí)可降低生產(chǎn)成本?，F(xiàn)在大功率MOSFET被廣泛的應(yīng)用到供電系統(tǒng)(開(kāi)關(guān)部件)、汽車(chē)電器的低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和在非常高開(kāi)關(guān)頻率(50到500千赫)的實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)樵谶@種高頻率的場(chǎng)合，標(biāo)準(zhǔn)的電源模塊無(wú)法使用。下面的章節(jié)將詳細(xì)介紹功率二極管、晶閘管、大功率MOSFET和的結(jié)構(gòu)、功能、特性和應(yīng)用以及發(fā)展趨勢(shì)。作為章節(jié)的結(jié)束我們把大功率半導(dǎo)體發(fā)展總體目標(biāo)和方向做如下簡(jiǎn)單歸納:14電氣之家-2基本理論半導(dǎo)體發(fā)展總體目標(biāo):-提高功率(電流，電壓)-降低半導(dǎo)體和開(kāi)關(guān)時(shí)損耗擴(kuò)展工作溫度的范圍提高使用 ，穩(wěn)定性和可靠性在降低 率的同時(shí)簡(jiǎn)化降低成本發(fā)展的方向大致可分為:半導(dǎo)體材料和保護(hù)電路-(如寬帶材料)技術(shù)-提高可靠工作的溫度和電流密度(減少面積)更精細(xì)結(jié)構(gòu)(減少面積)新型的結(jié)構(gòu)(性能改進(jìn))-上集能(例如，柵極電阻，溫度測(cè)量，單片系統(tǒng)集成)-根據(jù)功能組合新的單片器件（RC-，ESBT)-提高在氣候影響下的性能穩(wěn)定性組合裝配和連接技術(shù)(AVT)-提高抗溫度和負(fù)載變化的可靠性-散熱效果(絕緣基板，基板，散熱器)-電氣之家-2基本理論半導(dǎo)體發(fā)展總體目標(biāo):-提高功率(電流，電壓)-降低半導(dǎo)體和開(kāi)關(guān)時(shí)損耗擴(kuò)展工作溫度的范圍提高使用 ，穩(wěn)定性和可靠性在降低 率的同時(shí)簡(jiǎn)化降低成本發(fā)展的方向大致可分為:半導(dǎo)體材料和保護(hù)電路-(如寬帶材料)技術(shù)-提高可靠工作的溫度和電流密度(減少面積)更精細(xì)結(jié)構(gòu)(減少面積)新型的結(jié)構(gòu)(性能改進(jìn))-上集能(例如，柵極電阻，溫度測(cè)量，單片系統(tǒng)集成)-根據(jù)功能組合新的單片器件（RC-，ESBT)-提高在氣候影響下的性能穩(wěn)定性組合裝配和連接技術(shù)(AVT)-提高抗溫度和負(fù)載變化的可靠性-散熱效果(絕緣基板，基板，散熱器)-通過(guò)外殼和灌注材料和配方來(lái)提高抗氣候變化的適應(yīng)性優(yōu)化內(nèi)部連接和外部配件布線優(yōu)化外形使安裝更簡(jiǎn)便降低成型成本，提高環(huán)保意識(shí)，提高回收再利用的可能性集成化程度提高功率模塊的集成規(guī)模以降低系統(tǒng)成本-提高、監(jiān)測(cè)和保護(hù)功能的集成-提高整個(gè)系統(tǒng)的集成2.1.3顯示了功率模塊的不同集成層次2.1.1功率模塊的不同集成層次通過(guò)增加集成度，縮小結(jié)構(gòu)和更精確使現(xiàn)在功率半導(dǎo)體的特性逐步接近半導(dǎo)體硅材料的物理極限值。因此，從50年代已經(jīng)開(kāi)始尋找新的替代材料，現(xiàn)在已有一大批新材料被使用。15Sub- IPM+Controller+systems businterfacesModules+IPM Driver+ProtectionStandard Switches,modules InsulationBondwireModuleconcept: Chip SolderPowersemiconductorsolderedandbonded電氣之家-2基本理論其中發(fā)展的重點(diǎn)是“寬能隙材料”，碳化硅(SiC)以及氮化鎵(GaN)，這些材料比硅材料有更好的性能，比如更低的傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗，更高耐熱溫度和更好的導(dǎo)熱性。表2.1.1提供了主要材料的參數(shù)[文獻(xiàn)2]，圖2.1.4顯示了材料性質(zhì)。提供了主要材料同硅材料的對(duì)比參數(shù)Bandgap100.010.0BreakdownElectricFieldThermalConductivity1.04H-SiCSi0.1GaNSaturationVelocityDielectricConstant2.1.1不同的半導(dǎo)體材料物理參數(shù)[文獻(xiàn)3]影響碳化硅推廣的關(guān)鍵因素是生產(chǎn)成本，還有單晶片的質(zhì)量和穩(wěn)定性以及為半導(dǎo)體生產(chǎn)所要求的最佳硅片的。質(zhì)量上乘的直徑8“硅晶片生產(chǎn)成本只有0.10€/平方厘米，而4“碳化硅晶片在存在很高的質(zhì)量缺陷，并在大量訂貨時(shí)的價(jià)格是硅晶片的數(shù)倍。氮化鎵在性能方面比碳化硅略差，它主要是在光電設(shè)備中被使用。作為載體氮化鎵(石英，藍(lán)寶石材料)不是導(dǎo)電體，它的元器件必須是一種平面結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在碳化硅在肖基二極管中被廣泛使用。在電壓<1000V范圍MOSFET和由于硅高功率半導(dǎo)體的發(fā)展水平不需要引進(jìn)其他半導(dǎo)體材料。寬能隙半導(dǎo)體材料在此電壓范圍相比結(jié)型半導(dǎo)體材料，如JFET(結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管)、雙極晶體管和晶閘管缺少競(jìng)爭(zhēng)力，而在更高電壓時(shí)MOS晶體管等硅晶元器件顯然更勝一籌。使用寬能隙半導(dǎo)體材料主要是由于材料成本過(guò)高。只有在要求特別高的功率和極小的損耗以及在特定溫度、電壓和頻率等要求下，這時(shí)硅晶半導(dǎo)體材料不能滿足要求，才考慮使用寬能隙半導(dǎo)體材料的元器件。SiC和GaN半導(dǎo)體相比傳統(tǒng)的組件有下面主要優(yōu)點(diǎn)，如16Relatestodevice′scarriertransported電氣之家-2基本理論其中發(fā)展的重點(diǎn)是“寬能隙材料”，碳化硅(SiC)以及氮化鎵(GaN)，這些材料比硅材料有更好的性能，比如更低的傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗，更高耐熱溫度和更好的導(dǎo)熱性。表2.1.1提供了主要材料的參數(shù)[文獻(xiàn)2]，圖2.1.4顯示了材料性質(zhì)。提供了主要材料同硅材料的對(duì)比參數(shù)Bandgap100.010.0BreakdownElectricFieldThermalConductivity1.04H-SiCSi0.1GaNSaturationVelocityDielectricConstant2.1.1不同的半導(dǎo)體材料物理參數(shù)[文獻(xiàn)3]影響碳化硅推廣的關(guān)鍵因素是生產(chǎn)成本，還有單晶片的質(zhì)量和穩(wěn)定性以及為半導(dǎo)體生產(chǎn)所要求的最佳硅片的。質(zhì)量上乘的直徑8“硅晶片生產(chǎn)成本只有0.10€/平方厘米，而4“碳化硅晶片在存在很高的質(zhì)量缺陷，并在大量訂貨時(shí)的價(jià)格是硅晶片的數(shù)倍。氮化鎵在性能方面比碳化硅略差，它主要是在光電設(shè)備中被使用。作為載體氮化鎵(石英，藍(lán)寶石材料)不是導(dǎo)電體，它的元器件必須是一種平面結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在碳化硅在肖基二極管中被廣泛使用。在電壓<1000V范圍MOSFET和由于硅高功率半導(dǎo)體的發(fā)展水平不需要引進(jìn)其他半導(dǎo)體材料。寬能隙半導(dǎo)體材料在此電壓范圍相比結(jié)型半導(dǎo)體材料，如JFET(結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管)、雙極晶體管和晶閘管缺少競(jìng)爭(zhēng)力，而在更高電壓時(shí)MOS晶體管等硅晶元器件顯然更勝一籌。使用寬能隙半導(dǎo)體材料主要是由于材料成本過(guò)高。只有在要求特別高的功率和極小的損耗以及在特定溫度、電壓和頻率等要求下，這時(shí)硅晶半導(dǎo)體材料不能滿足要求，才考慮使用寬能隙半導(dǎo)體材料的元器件。SiC和GaN半導(dǎo)體相比傳統(tǒng)的組件有下面主要優(yōu)點(diǎn)，如16Relatestodevice′scarriertransportedswitchingspeedDeterminesBVvs.SpecificRontrade-offfordevicesdesignDeterminesheatdissipationcharacteristicinpowerdesignDeterminestemperaturelimitfordeviceoperation參數(shù)Si4H-SiCGaN帶隙能量EgeV1.123.263.39內(nèi)在密度nicm-31.4*10-108.2*10-91.9*10-10擊穿場(chǎng)強(qiáng)EcMV/cm電子遷移率ncm2/Vs1,4009501,500漂移速度satcm/s1072.7*1072.5*107介電常數(shù)r-熱傳導(dǎo)率W/cmK電氣之家-2基本理論-很低的和開(kāi)關(guān)損耗更高的阻斷電壓更高的功率密度更高的可靠工作溫度更短的響應(yīng)時(shí)間，更高的開(kāi)關(guān)頻率為了達(dá)到這樣的效果，在組裝和連接技術(shù)必須將有相應(yīng)的改進(jìn)。2.2電源整流器2.2.1二極管CathodeCircuitsymbolAnode一般定義正向?qū)ǎㄕ颍┊?dāng)電流的方向?yàn)檎驎r(shí)，整流二極管具有較低的電阻。反向截止（反向）當(dāng)電流的方向?yàn)榉聪驎r(shí)，整流二極管具有較高的電阻。陽(yáng)極（正極）正向電流的流入的端口。陰極（負(fù)極）正向電流的流出的端口。導(dǎo)通電流（正向電流）正向流過(guò)的電流。正向通態(tài)壓降（正向電壓）電氣之家-2基本理論-很低的和開(kāi)關(guān)損耗更高的阻斷電壓更高的功率密度更高的可靠工作溫度更短的響應(yīng)時(shí)間，更高的開(kāi)關(guān)頻率為了達(dá)到這樣的效果，在組裝和連接技術(shù)必須將有相應(yīng)的改進(jìn)。2.2電源整流器2.2.1二極管CathodeCircuitsymbolAnode一般定義正向?qū)ǎㄕ颍┊?dāng)電流的方向?yàn)檎驎r(shí)，整流二極管具有較低的電阻。反向截止（反向）當(dāng)電流的方向?yàn)榉聪驎r(shí)，整流二極管具有較高的電阻。陽(yáng)極（正極）正向電流的流入的端口。陰極（負(fù)極）正向電流的流出的端口。導(dǎo)通電流（正向電流）正向流過(guò)的電流。正向通態(tài)壓降（正向電壓）二極管在正向?qū)〞r(shí)的電壓差。17電氣之家-2基本理論截止電流（反向電流，漏電流）二極管在截止電壓下反向的電流。當(dāng)用示波器或者其他屏幕顯示的測(cè)試儀器來(lái)測(cè)量截止電流時(shí)，在外加反向直流電壓時(shí)，它表示為一個(gè)曲線。但在外加交流電壓時(shí)，因?yàn)镻N結(jié)的電容效應(yīng)會(huì)對(duì)曲線產(chǎn)生影響，隨著電壓的上升或下降，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正向的或者反向的延遲電流，特性曲線就表現(xiàn)出 的兩支。但其最大值是受影響。見(jiàn)圖2.2.1。reverseicapacitivehysteresisreversecurrentiratvrmeasuredvoltagevvr2.2.1在交流的反向電壓測(cè)量的截止曲線截止電壓(反向電壓)在二極管兩極反向連接的電壓。整流二極管是一種兩極元件，一般作為交流變直流的整流器件。它有不對(duì)稱(chēng)的電壓電流曲線，見(jiàn)圖2.2.2。IForward電氣之家-2基本理論截止電流（反向電流，漏電流）二極管在截止電壓下反向的電流。當(dāng)用示波器或者其他屏幕顯示的測(cè)試儀器來(lái)測(cè)量截止電流時(shí)，在外加反向直流電壓時(shí)，它表示為一個(gè)曲線。但在外加交流電壓時(shí)，因?yàn)镻N結(jié)的電容效應(yīng)會(huì)對(duì)曲線產(chǎn)生影響，隨著電壓的上升或下降，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正向的或者反向的延遲電流，特性曲線就表現(xiàn)出 的兩支。但其最大值是受影響。見(jiàn)圖2.2.1。reverseicapacitivehysteresisreversecurrentiratvrmeasuredvoltagevvr2.2.1在交流的反向電壓測(cè)量的截止曲線截止電壓(反向電壓)在二極管兩極反向連接的電壓。整流二極管是一種兩極元件，一般作為交流變直流的整流器件。它有不對(duì)稱(chēng)的電壓電流曲線，見(jiàn)圖2.2.2。IForwarddirectionEquivalentslopeBreakthroughBlockingareaThresholdvoltageVReversedirectionConductingarea2.2.2二極管的電壓電流曲線現(xiàn)在電力網(wǎng)絡(luò)整流使用的半導(dǎo)體二極管絕大部分是用單晶硅制造。整流二極管可分為PN結(jié)二極管和肖特基二極管。通過(guò)摻雜可在半導(dǎo)體形成n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體，它們的結(jié)合部就形成pn結(jié)。pn結(jié)具有單向?qū)ㄐ?，這時(shí)的二極管就是PN結(jié)二極管。由金屬和半導(dǎo)體形成結(jié)而具有單向?qū)щ娦缘亩O管是肖特基二極管。18電氣之家-2基本理論GuardringAnode(mlised)OxidGlasspassivationAnode(mlised)p+-Sipn-junctionSchottky-ContactCathode(mlised)Cathode(mlised)a)2.2.1PN結(jié)二極管b)pn結(jié)二極管(a)和肖特基二極管(b)示意圖電氣之家-2基本理論GuardringAnode(mlised)OxidGlasspassivationAnode(mlised)p+-Sipn-junctionSchottky-ContactCathode(mlised)Cathode(mlised)a)2.2.1PN結(jié)二極管b)pn結(jié)二極管(a)和肖特基二極管(b)示意圖一個(gè)PN結(jié)二極管是由擁有很多自由空穴載子的高摻雜p型半導(dǎo)體(p+層)，同擁有很多自由電子的高摻雜n型半導(dǎo)體(n+層)及低摻雜n型半導(dǎo)體(n-層)(也本征半導(dǎo)體層i)組成的，其寬度wp和摻雜度決定了最大截止電壓。在PN結(jié)兩邊因?yàn)殡娮雍涂昭ǖ脑俳Y(jié)合而形成不帶電的離子，這樣就會(huì)在PN移動(dòng)的帶電離子。這些離子會(huì)在p-和n-半結(jié)附近形成一個(gè)很薄的層，就是層，在其中導(dǎo)體之間在沒(méi)有任何外加電壓時(shí)就形成一個(gè)電位差。我們稱(chēng)這個(gè)區(qū)間為空間電荷區(qū)。當(dāng)在p-硅半導(dǎo)體接負(fù)電壓和在n-硅半導(dǎo)體上接正電壓時(shí)，在n-硅半導(dǎo)體中自由電子就會(huì)被吸到負(fù)極，而p-硅半導(dǎo)體中空穴載子流到正極?？臻g電荷區(qū)就會(huì)被加寬，pn結(jié)的電場(chǎng)被增強(qiáng)。二極管被反向連接，這時(shí)幾乎沒(méi)有電流流過(guò)二極管。當(dāng)二極管被反向連接時(shí)二極管會(huì)有一個(gè)很小的反向截止電流。它是因?yàn)樵诳臻g電荷區(qū)的帶電離子，通過(guò)溫度和輻射得到能量，掙脫了空間電荷區(qū)，流到兩極而形成的電流。當(dāng)在p-硅半導(dǎo)體接正電壓和在n-硅半導(dǎo)體上接負(fù)電壓時(shí)，在n-硅半導(dǎo)體中自由電子就會(huì)被壓到空間電荷區(qū)，而p-硅半導(dǎo)體的空穴載子同樣被壓到空間電荷區(qū)?？臻g電荷區(qū)就會(huì)壓縮最后消失。外接的電流源會(huì)不斷提供帶電離子，這時(shí)就有電流流過(guò)二極管。二極管在導(dǎo)通時(shí)被正向連接。(見(jiàn)圖2.2.2)肖特基二極管在肖特基二極管中，金屬半導(dǎo)體結(jié)合層接替PN結(jié)二極管中PN結(jié)的作用。二者的重要區(qū)別就是PN結(jié)二極管中的導(dǎo)電離子是帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴載子，我們稱(chēng)之為雙極器件。在肖特基二極管中只有帶負(fù)電的自由電子，我們稱(chēng)之為單極器件。這種區(qū)別會(huì)對(duì)他們?cè)趧?dòng)態(tài)特性帶來(lái)很大不同。（見(jiàn)第章節(jié)和第章節(jié)）19n--Si wpn+-SipSi n--Si pSin+-Si電氣之家-2基本理論導(dǎo)通特性當(dāng)電壓超過(guò)門(mén)限電壓(硅材料是0,7伏)時(shí)，隨著正向電壓增加，電流很陡上升(見(jiàn)圖2.2.2)。當(dāng)電流很大，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)容許的正向電流值時(shí)，才變得平坦。在中小電流時(shí)正向?qū)妷和瑴囟认禂?shù)成反比，即在電流為常數(shù)時(shí)，溫度越高正向?qū)妷壕驮降?。在大電流時(shí)情況正相反。電流流過(guò)二極管會(huì)產(chǎn)生損耗(等于電流乘以電壓)電氣之家-2基本理論導(dǎo)通特性當(dāng)電壓超過(guò)門(mén)限電壓(硅材料是0,7伏)時(shí)，隨著正向電壓增加，電流很陡上升(見(jiàn)圖2.2.2)。當(dāng)電流很大，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)容許的正向電流值時(shí)，才變得平坦。在中小電流時(shí)正向?qū)妷和瑴囟认禂?shù)成反比，即在電流為常數(shù)時(shí)，溫度越高正向?qū)妷壕驮降?。在大電流時(shí)情況正相反。電流流過(guò)二極管會(huì)產(chǎn)生損耗(等于電流乘以電壓)，會(huì)使二極管變熱，這個(gè)熱量就限制二極管的為過(guò)大會(huì)燒壞二極管。截止特性當(dāng)二極管被電壓源反向連接時(shí)，在開(kāi)始的幾伏的范圍內(nèi)，截止電流緩慢上升然后基本不變。截止電流受溫度影響很大并隨著溫度的升高而提高，特別是肖特基二極管。這時(shí)出現(xiàn)的損耗(等于截止電流乘以截止電壓)在實(shí)際應(yīng)用中很小，以致可以忽略(肖特基二極管列外)。當(dāng)提高外接電壓就會(huì)進(jìn)入穿透區(qū)，(見(jiàn)圖2.2.2)，截止電流上升很陡。這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)齊納效應(yīng)和雪崩效應(yīng)。齊納效應(yīng)正向電流值，因在二極管中摻雜度很高的n-半導(dǎo)體空間電荷區(qū)中，當(dāng)其電場(chǎng)很高時(shí)，以致是能把硅原子的電子拽掉，成為自由帶電離子，這時(shí)電流上升很陡，這就是齊納效應(yīng)。這時(shí)的電壓被稱(chēng)為齊納電壓，它同溫度成反比。只有當(dāng)空間電荷區(qū)的電場(chǎng)很高時(shí)才出現(xiàn)齊納效應(yīng)。它反映在二極管上就是相對(duì)較低的反向擊穿電壓。一般為5,7V。對(duì)再高的反向擊穿電壓就會(huì)出現(xiàn)雪崩效應(yīng)。雪崩效應(yīng)通過(guò)加溫和輻射可在空間電荷區(qū)產(chǎn)生帶電離子(電子和空穴)。當(dāng)它們?cè)诳臻g電荷區(qū)被很強(qiáng)大的電場(chǎng)，并同其他原子碰撞而產(chǎn)生新的帶電離子。這時(shí)帶電離子的數(shù)量如同雪崩一樣增加，同樣反向截止電流也快速上升。這就是雪崩效應(yīng)。這時(shí)的電壓同溫度成正比，既隨著溫度的升高而升高。當(dāng)反向擊穿電壓大于5,7V時(shí)，都應(yīng)看成是雪崩效應(yīng)。但在實(shí)際中常常把雪崩二極管錯(cuò)看成是齊納二極管。它一定要按照給出的參數(shù)數(shù)據(jù)，并在規(guī)定的條件范圍內(nèi)使用。開(kāi)通特性在二極管進(jìn)入開(kāi)通狀態(tài)時(shí)，兩端的電壓會(huì)上升到開(kāi)啟峰值VFRM。當(dāng)n-型半導(dǎo)體內(nèi)被帶電離子充滿時(shí)，電壓開(kāi)始回降到靜態(tài)導(dǎo)通電壓VF(見(jiàn)圖2.2.4)。開(kāi)啟時(shí)間(正向恢復(fù)時(shí)間)一般在100ns。當(dāng)電流上升的越陡和n-型半導(dǎo)體的寬度越寬，開(kāi)啟峰值VFRM就越高，它有時(shí)會(huì)超過(guò)300V。20電氣之家-2基本理論0.1IFvVumturn-onvoltagestaticvalueofforwardvoltageV0.1VFttfr二極管的開(kāi)通特性2.2.1關(guān)斷特性PN結(jié)二極管電氣之家-2基本理論0.1IFvVumturn-onvoltagestaticvalueofforwardvoltageV0.1VFttfr二極管的開(kāi)通特性2.2.1關(guān)斷特性PN結(jié)二極管在導(dǎo)通狀態(tài)下，二極管內(nèi)充滿了電子和帶電空穴。當(dāng)電源反接時(shí)，在沒(méi)有達(dá)到反向截止電壓前，二極管反向?qū)āＭㄟ^(guò)反向電流和電子與空穴的再結(jié)合，帶電離子不斷減少。當(dāng)所有的在pn結(jié)的自由帶電離子全部消失，二極管就進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)和承受反向截止電壓，反向電流達(dá)到反向峰值IRRM，并隨后開(kāi)始降低。見(jiàn)圖2.2.5。2.2.5pn結(jié)二極管的關(guān)斷特性紅色的三角面積Qrr就是存貯的電荷量。經(jīng)過(guò)反向電流的峰值IRRM在二極管上就有一個(gè)電壓并有電流，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生損耗。在高的開(kāi)關(guān)頻率時(shí)這種損耗會(huì)很高，在計(jì)算功耗時(shí)必須加以考慮。開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)間trr，存貯的電荷Qrr和反向電流的峰值IRRM都會(huì)隨著溫度的升高而增加。當(dāng)二極管有短的開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)間trr，小的存貯的電荷Qrr和低的反向電流的峰值IRRM時(shí)，我們稱(chēng)之為快速二極管(參考第2.3章)，快速二極管可以通過(guò)降低帶電離子的來(lái)制造。21F1.1VFFRMIF電氣之家-2基本理論肖特基二極管肖特基二極管是一種單極元器件，它只有電子作為導(dǎo)電離子。在導(dǎo)通時(shí)在結(jié)面滯留電子，當(dāng)關(guān)斷時(shí)(電源反接)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)電荷。肖特基二極管沒(méi)有反向電流，當(dāng)然截止層的感應(yīng)電容放電會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很小的電流。關(guān)斷時(shí)間是不確定的。肖特基二極管因?yàn)楹苄〉膿p耗所以常常用于較高的開(kāi)關(guān)頻率中。因?yàn)榻刂闺娏麟S著溫度會(huì)很快的增加和單極導(dǎo)通特性限制了其反向截止電壓。在市場(chǎng)上用硅做成的肖特基二極管其反向截止電壓一般到200V，而用鍺(GaAs)可到300V，碳化硅(SiC)則可達(dá)1200V。用碳化硅制成的肖特基二極管其擊穿場(chǎng)強(qiáng)是一般的硅二極管的九倍。2.2.2閘（）CathodeGateCircuitsymbolAnode電氣之家-2基本理論肖特基二極管肖特基二極管是一種單極元器件，它只有電子作為導(dǎo)電離子。在導(dǎo)通時(shí)在結(jié)面滯留電子，當(dāng)關(guān)斷時(shí)(電源反接)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)電荷。肖特基二極管沒(méi)有反向電流，當(dāng)然截止層的感應(yīng)電容放電會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很小的電流。關(guān)斷時(shí)間是不確定的。肖特基二極管因?yàn)楹苄〉膿p耗所以常常用于較高的開(kāi)關(guān)頻率中。因?yàn)榻刂闺娏麟S著溫度會(huì)很快的增加和單極導(dǎo)通特性限制了其反向截止電壓。在市場(chǎng)上用硅做成的肖特基二極管其反向截止電壓一般到200V，而用鍺(GaAs)可到300V，碳化硅(SiC)則可達(dá)1200V。用碳化硅制成的肖特基二極管其擊穿場(chǎng)強(qiáng)是一般的硅二極管的九倍。2.2.2閘（）CathodeGateCircuitsymbolAnode正向，開(kāi)關(guān)方向義當(dāng)晶閘管在兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，既截止和導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電流流入的方向。反向與正向相反的方向。導(dǎo)通狀態(tài)是晶閘管的一個(gè)工作狀態(tài)，這時(shí)直流阻抗在一個(gè)工作點(diǎn)或工作點(diǎn)范圍內(nèi)最小。截止?fàn)顟B(tài)是晶閘管的一個(gè)工作狀態(tài)，這時(shí)直流阻抗在一個(gè)工作點(diǎn)或工作點(diǎn)范圍內(nèi)最大。陽(yáng)極（正極）正向電流的流入的主要端口。陰極（負(fù)極）正向電流的流出的主要端口。極，柵極電流流入的端口。外部設(shè)備一般連接?xùn)艠O和陰極，所以一些較大的晶閘管有兩個(gè)陰極接口。正向電流通過(guò)主要端口正向流過(guò)的電流22電氣之家-2基本理論反向電流通過(guò)主要端口反向流過(guò)的電流。導(dǎo)通電流在導(dǎo)通工作狀態(tài)下在主要端口間流通的電流。截止電流在截止工作狀態(tài)下在主要端口間流通的電流。當(dāng)用示波器或者其他屏幕顯示的測(cè)試儀器來(lái)測(cè)量截止電流時(shí)，在接反向直流電壓時(shí)，它表示為一個(gè)曲線。但在交流電壓條件下，因?yàn)镻N結(jié)的電容效應(yīng)會(huì)對(duì)曲線產(chǎn)生影響，隨著電壓的上升或下降，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正向的或者反向的延遲電流，特性曲線就表現(xiàn)出 的兩支。但其最大值是正向電壓在主要端口間的正向電壓差。反向電壓在主要端口間的反向電壓差。導(dǎo)通電壓受到影響。見(jiàn)圖2.2.1。在導(dǎo)通的工作狀態(tài)下，在主要端口間的正向電壓差截止電壓在截止的工作狀態(tài)下，在主要端口間的正向電壓差。激發(fā)電壓在沒(méi)有 電流時(shí)，加在主要端口間的正向電壓能使晶閘管進(jìn)入導(dǎo)通工作狀態(tài)的電壓值。電流從 柵極流入的電流。流入時(shí)電流為正值。電壓柵極和陰極的電壓差。當(dāng)柵極電位高于陰極時(shí)，電壓為正值?；驹黼姎庵?2基本理論反向電流通過(guò)主要端口反向流過(guò)的電流。導(dǎo)通電流在導(dǎo)通工作狀態(tài)下在主要端口間流通的電流。截止電流在截止工作狀態(tài)下在主要端口間流通的電流。當(dāng)用示波器或者其他屏幕顯示的測(cè)試儀器來(lái)測(cè)量截止電流時(shí)，在接反向直流電壓時(shí)，它表示為一個(gè)曲線。但在交流電壓條件下，因?yàn)镻N結(jié)的電容效應(yīng)會(huì)對(duì)曲線產(chǎn)生影響，隨著電壓的上升或下降，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正向的或者反向的延遲電流，特性曲線就表現(xiàn)出 的兩支。但其最大值是正向電壓在主要端口間的正向電壓差。反向電壓在主要端口間的反向電壓差。導(dǎo)通電壓受到影響。見(jiàn)圖2.2.1。在導(dǎo)通的工作狀態(tài)下，在主要端口間的正向電壓差截止電壓在截止的工作狀態(tài)下，在主要端口間的正向電壓差。激發(fā)電壓在沒(méi)有 電流時(shí)，加在主要端口間的正向電壓能使晶閘管進(jìn)入導(dǎo)通工作狀態(tài)的電壓值。電流從 柵極流入的電流。流入時(shí)電流為正值。電壓柵極和陰極的電壓差。當(dāng)柵極電位高于陰極時(shí)，電壓為正值?；驹砭чl管是一個(gè)至少含有三個(gè)PN結(jié)，并能從截止工作狀態(tài)到導(dǎo)通工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體元器件。有時(shí)它也會(huì)被稱(chēng)為反向截止晶閘管，它反向是不能被開(kāi)通而只是在截止?fàn)顟B(tài)下。相對(duì)二極管晶閘管還多一個(gè)可使晶閘管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)的柵極(柵極)(見(jiàn)圖2.2.6)。23電氣之家-2基本理論IConductingForwarddirectionForwardblockingBreakthroughvoltageHoldingcurrentVForwardbreakoverReverseblocking2.2.6晶閘管電流電壓曲線Gate(mlised)Cathode(mlised) n+Si p-Sin--Sip+-SiGlasspassivationAnode(mlised)Highblockingpn-junction圖2.2.7晶閘管內(nèi)部示意圖晶閘管是由四個(gè)交替n-型和p-型半導(dǎo)體組成的(見(jiàn)圖2.2.7)。中間的n-型和p-型半導(dǎo)體正向和反向的高截止PN結(jié)。鈍化環(huán)(在這里是石英鈍化環(huán))必須固定兩個(gè)PN結(jié)。我們可以把晶閘管分解成一個(gè)NPN晶體管和一個(gè)PNP晶體管來(lái)理解，如圖2.2.8。CathodeCathodeCathodenGateGateppGatennpAnode電氣之家-2基本理論IConductingForwarddirectionForwardblockingBreakthroughvoltageHoldingcurrentVForwardbreakoverReverseblocking2.2.6晶閘管電流電壓曲線Gate(mlised)Cathode(mlised) n+Si p-Sin--Sip+-SiGlasspassivationAnode(mlised)Highblockingpn-junction圖2.2.7晶閘管內(nèi)部示意圖晶閘管是由四個(gè)交替n-型和p-型半導(dǎo)體組成的(見(jiàn)圖2.2.7)。中間的n-型和p-型半導(dǎo)體正向和反向的高截止PN結(jié)。鈍化環(huán)(在這里是石英鈍化環(huán))必須固定兩個(gè)PN結(jié)。我們可以把晶閘管分解成一個(gè)NPN晶體管和一個(gè)PNP晶體管來(lái)理解，如圖2.2.8。CathodeCathodeCathodenGateGateppGatennpAnodeAnodeAnode圖2.2.8把晶閘管分解成兩個(gè)連接的NPN和PNP晶體管當(dāng)陰極接負(fù)電壓，陽(yáng)極接正電壓，并有一個(gè)電流從柵極流向陰極時(shí)，電子就注入陰極，也就是NPN晶體管的發(fā)射極。柵極電流被NPN晶體管放大。一部分電子會(huì)流到低摻雜度的n-區(qū)，它同樣是NPN晶體管的收集極和PNP晶體管的基極。這個(gè)電流在PNP晶體管中再次被放大并傳送到NPN晶體管的基極。這種內(nèi)部的緊密耦合決定了晶閘管的功能特性。24npnp電氣之家-2基本理論晶體管的電流放大倍數(shù)是流有關(guān)系。當(dāng)基極電流正好是使放大倍數(shù)大于1時(shí)，即αnpn+αpnp≥1，晶閘管被激發(fā)，也就是說(shuō)晶閘管進(jìn)入導(dǎo)通工作狀態(tài)。在基極的一個(gè)很小的電流脈沖（比如10 μs的脈沖）就能使晶閘管激發(fā)導(dǎo)通。當(dāng)脈沖結(jié)束時(shí)，流過(guò)晶閘管的電流大于閉鎖電流IL時(shí)，晶閘管保持導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)電流低于保持電流IH時(shí)，晶閘管進(jìn)入正向截止?fàn)顟B(tài)(見(jiàn)章)。下面的所有通過(guò)PN結(jié)，從柵極流到陰極的電流形式，當(dāng)它足夠大時(shí)，都-電氣之家-2基本理論晶體管的電流放大倍數(shù)是流有關(guān)系。當(dāng)基極電流正好是使放大倍數(shù)大于1時(shí)，即αnpn+αpnp≥1，晶閘管被激發(fā)，也就是說(shuō)晶閘管進(jìn)入導(dǎo)通工作狀態(tài)。在基極的一個(gè)很小的電流脈沖（比如10 μs的脈沖）就能使晶閘管激發(fā)導(dǎo)通。當(dāng)脈沖結(jié)束時(shí)，流過(guò)晶閘管的電流大于閉鎖電流IL時(shí)，晶閘管保持導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)電流低于保持電流IH時(shí)，晶閘管進(jìn)入正向截止?fàn)顟B(tài)(見(jiàn)章)。下面的所有通過(guò)PN結(jié)，從柵極流到陰極的電流形式，當(dāng)它足夠大時(shí)，都-外部的電流源激發(fā)電流:-當(dāng)截至電生的電壓超過(guò)翻轉(zhuǎn)電壓時(shí)(翻轉(zhuǎn))通過(guò)光照射時(shí)，空間電荷區(qū)產(chǎn)生的電流(光激發(fā))過(guò)高的溫度(熱效應(yīng)產(chǎn)生的截止電流造成)因快速上升的陽(yáng)極電壓所產(chǎn)生的存貯電荷延遲放電電流(dv/dt)導(dǎo)通特性晶閘管的導(dǎo)通特性相似二極管。當(dāng)正向電壓超過(guò)門(mén)限電壓時(shí)，導(dǎo)通電流隨著正向電壓的升高而增加(見(jiàn)圖2.2.6)。當(dāng)電流很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)的導(dǎo)通電流時(shí)，才變得比較平坦。在中小電流區(qū)域，導(dǎo)通電壓同溫度成反比，既在一定的導(dǎo)通電流時(shí)，導(dǎo)通電壓隨著溫度的升高而降低。在較大的電流區(qū)域正相反。導(dǎo)通時(shí)的電生損耗(導(dǎo)通電流乘以導(dǎo)通電壓)，這種損耗使晶閘管發(fā)熱。這個(gè)發(fā)熱會(huì)限制正向電流，當(dāng)它過(guò)大時(shí)會(huì)損壞晶閘管。截止特性當(dāng)晶閘管的電壓源反向連接時(shí)，在開(kāi)始的幾伏的范圍內(nèi)，截止電流緩慢上升然后基本不變。截止電流受溫度影響很大，并隨著溫度的升高而提高。當(dāng)提高外接電壓就會(huì)進(jìn)入穿透區(qū)，(見(jiàn)圖2.2.6)，截止電流上升很陡。這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)雪崩效應(yīng)(見(jiàn)第章節(jié))。當(dāng)在晶閘管上加一個(gè)正向的電壓時(shí)，在開(kāi)始階段晶閘管不導(dǎo)通，如同截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)電壓上升到超過(guò)開(kāi)啟電壓，晶閘管就進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，晶閘管會(huì)保持這種狀態(tài)，直到流過(guò)晶閘管的電流小于保持電流時(shí)。截止電流在正向的外接電壓時(shí)，隨著溫度而變化，不同的晶閘管有完全不同的溫度變化。大多數(shù)的晶閘管在較高溫度時(shí)的截止電流大于反向截止電流?；镜氖撬鳛榛鶚O電流被npn晶體管所放大。較大的正向截止電流影響晶閘管的性能和可靠性，它不是一種質(zhì)量缺陷。這時(shí)產(chǎn)生的功耗很小，在計(jì)算整體損耗時(shí)可以忽略不計(jì)。25電氣之家-2基本理論開(kāi)通特性基極電流導(dǎo)致開(kāi)通導(dǎo)通基極電流首先導(dǎo)致晶閘管導(dǎo)通，它發(fā)生在基極電流密度最高的截面上，然后再以相對(duì)較慢的速度的向外擴(kuò)展(每微秒導(dǎo)通。30到100微米)。既當(dāng)晶閘管的直徑在100mm時(shí)，需要大概1千微秒才能全部2.2.1a）基極開(kāi)通電流分布b)開(kāi)通后導(dǎo)通電流的分布在導(dǎo)通后正向電壓會(huì)緩慢回落到靜態(tài)電壓VF。圖2.2.10展示了電壓電流和損耗功率的圖形。V,IVAI電氣之家-2基本理論開(kāi)通特性基極電流導(dǎo)致開(kāi)通導(dǎo)通基極電流首先導(dǎo)致晶閘管導(dǎo)通，它發(fā)生在基極電流密度最高的截面上，然后再以相對(duì)較慢的速度的向外擴(kuò)展(每微秒導(dǎo)通。30到100微米)。既當(dāng)晶閘管的直徑在100mm時(shí)，需要大概1千微秒才能全部2.2.1a）基極開(kāi)通電流分布b)開(kāi)通后導(dǎo)通電流的分布在導(dǎo)通后正向電壓會(huì)緩慢回落到靜態(tài)電壓VF。圖2.2.10展示了電壓電流和損耗功率的圖形。V,IVAIFiva)VFPtb) PFt圖2.2.10晶閘管開(kāi)通電壓電流和損耗功率曲線當(dāng)晶閘管剛被激發(fā)導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通面積很小，電壓在全部導(dǎo)通時(shí)在才會(huì)回落到靜態(tài)值VF，所以在剛開(kāi)通時(shí)，開(kāi)通損耗集中在很小的面積內(nèi)，這就會(huì)使硅片發(fā)熱。為了保護(hù)晶閘管不被燒壞，必須把電流上升的速度限制在的規(guī)定范圍(di/dt)cr內(nèi)。在對(duì)一些大型的晶閘管，的電流上升速度(di/dt)cr可以通過(guò)輔助晶閘管(導(dǎo)向晶閘管)來(lái)提高。利用一個(gè)較小的晶閘管，其陰極同主要晶閘管的柵極相連，所以主要晶閘管的激發(fā)電流就會(huì)被放大(見(jiàn)圖2.2.11)。主要晶閘管的激發(fā)的能量是從主要電流環(huán)路中得到，我們稱(chēng)之為內(nèi)部放大晶閘管。26電氣之家-2基本理論AuxiliarythyristorMainthyristorGateHybridauxiliarythyristorIntegratedauxiliarythyristorFingerlikeauxiliarythyristor通過(guò)輔助晶閘管放大激發(fā)能量另一種提高 上升速度(di/dt)cr的方法是把柵極設(shè)計(jì)成指狀，這樣可以加長(zhǎng)輔助晶閘管和主要晶閘管的接觸邊長(zhǎng)。但這樣將損失發(fā)射極的有效面積，減少抗負(fù)載性。晶閘管被的延遲電流激發(fā)每個(gè)PN結(jié)都會(huì)有感應(yīng)電容，它們壓值有關(guān)，沒(méi)加電壓時(shí)它們是最大值，隨著電壓的升高而降低。當(dāng)電壓變化時(shí)(在大的dv/dt)，電容放電會(huì)使PN結(jié)流過(guò)一個(gè)延遲電流。當(dāng)這個(gè)電流達(dá)到一定數(shù)量值時(shí)，如同任何一個(gè)基極-發(fā)射極電流一樣，就會(huì)激發(fā)晶閘管。外加電壓超過(guò)翻轉(zhuǎn)電壓時(shí)晶閘管被激發(fā)（從頭部激發(fā)）當(dāng)外加電壓超過(guò)一定值時(shí)，晶閘管被激發(fā)并導(dǎo)通（見(jiàn)圖2.2.12）。因?yàn)榻刂闺娏麟S著溫度的升高而電氣之家-2基本理論AuxiliarythyristorMainthyristorGateHybridauxiliarythyristorIntegratedauxiliarythyristorFingerlikeauxiliarythyristor通過(guò)輔助晶閘管放大激發(fā)能量另一種提高 上升速度(di/dt)cr的方法是把柵極設(shè)計(jì)成指狀，這樣可以加長(zhǎng)輔助晶閘管和主要晶閘管的接觸邊長(zhǎng)。但這樣將損失發(fā)射極的有效面積，減少抗負(fù)載性。晶閘管被的延遲電流激發(fā)每個(gè)PN結(jié)都會(huì)有感應(yīng)電容，它們壓值有關(guān)，沒(méi)加電壓時(shí)它們是最大值，隨著電壓的升高而降低。當(dāng)電壓變化時(shí)(在大的dv/dt)，電容放電會(huì)使PN結(jié)流過(guò)一個(gè)延遲電流。當(dāng)這個(gè)電流達(dá)到一定數(shù)量值時(shí)，如同任何一個(gè)基極-發(fā)射極電流一樣，就會(huì)激發(fā)晶閘管。外加電壓超過(guò)翻轉(zhuǎn)電壓時(shí)晶閘管被激發(fā)（從頭部激發(fā)）當(dāng)外加電壓超過(guò)一定值時(shí)，晶閘管被激發(fā)并導(dǎo)通（見(jiàn)圖2.2.12）。因?yàn)榻刂闺娏麟S著溫度的升高而增加，所以所需的激發(fā)電流就會(huì)隨著溫度升高而變小。這樣翻轉(zhuǎn)電壓的門(mén)限就隨著溫度的升高而降低。IForwardbreakthroughConductingHoldingcurrentVAKForwardblockingReverseblockingForwardbreakovervoltage圖2.2.12晶閘管通過(guò)電流電壓曲線27電氣之家-2基本理論晶閘管通過(guò)光輻射和加熱激發(fā)光輻射可以是空間電荷區(qū)的帶電載子離開(kāi)空間電荷區(qū)，流向陰極。這就形成了激發(fā)電流。當(dāng)晶閘管被加熱時(shí)也會(huì)出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。關(guān)斷特性同功率二極管相似(第章節(jié))，當(dāng)晶閘管導(dǎo)通時(shí)，半導(dǎo)體充滿了帶電離子。當(dāng)外接電源反接時(shí)，這些帶電離子必須被掉才能使晶閘管承受反向電壓。所以當(dāng)晶閘管接一個(gè)正向電壓時(shí)，在半導(dǎo)體內(nèi)的剩余帶電離子就能形成激發(fā)電流，而激發(fā)晶閘管。自由轉(zhuǎn)換時(shí)間是指當(dāng)晶閘管沒(méi)有被激發(fā)時(shí)，從電流到零時(shí)到電壓上升通過(guò)零時(shí)的時(shí)間段(見(jiàn)圖2.2.13)。晶閘管典型的自由轉(zhuǎn)換時(shí)間是100到500μs。快速晶閘管(高頻晶閘管)是指通過(guò)降低載子壽命，而使自由轉(zhuǎn)換時(shí)間降到10到100μs的晶閘管。作為數(shù)據(jù)文件介紹。的討論將在第章節(jié)進(jìn)行。第三章將i,voltage電氣之家-2基本理論晶閘管通過(guò)光輻射和加熱激發(fā)光輻射可以是空間電荷區(qū)的帶電載子離開(kāi)空間電荷區(qū)，流向陰極。這就形成了激發(fā)電流。當(dāng)晶閘管被加熱時(shí)也會(huì)出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。關(guān)斷特性同功率二極管相似(第章節(jié))，當(dāng)晶閘管導(dǎo)通時(shí)，半導(dǎo)體充滿了帶電離子。當(dāng)外接電源反接時(shí)，這些帶電離子必須被掉才能使晶閘管承受反向電壓。所以當(dāng)晶閘管接一個(gè)正向電壓時(shí)，在半導(dǎo)體內(nèi)的剩余帶電離子就能形成激發(fā)電流，而激發(fā)晶閘管。自由轉(zhuǎn)換時(shí)間是指當(dāng)晶閘管沒(méi)有被激發(fā)時(shí)，從電流到零時(shí)到電壓上升通過(guò)零時(shí)的時(shí)間段(見(jiàn)圖2.2.13)。晶閘管典型的自由轉(zhuǎn)換時(shí)間是100到500μs?？焖倬чl管(高頻晶閘管)是指通過(guò)降低載子壽命，而使自由轉(zhuǎn)換時(shí)間降到10到100μs的晶閘管。作為數(shù)據(jù)文件介紹。的討論將在第章節(jié)進(jìn)行。第三章將i,voltagevTCurrentiTqt圖2.2.13 關(guān)斷時(shí)的電流電壓曲線和自由轉(zhuǎn)換時(shí)間的定義現(xiàn)代的快速半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)需要續(xù)流二極管。在許多有電感負(fù)載的實(shí)際應(yīng)用中，在每次關(guān)斷時(shí)，續(xù)流極沖極能量就通過(guò)續(xù)流二極管換流掉。為了不產(chǎn)生感應(yīng)的電壓上升峰值和高頻率的震蕩，這種放電應(yīng)該是平滑和柔軟的。我們把這種二極管稱(chēng)為軟性恢復(fù)二極管。續(xù)流二極管會(huì)影響到半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的性能。在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)時(shí)必須要統(tǒng)籌考慮?？焖俟β识O管一般分為兩種：肖特基二極管和pin二極管，其中pin二極管有分為外延生長(zhǎng)型或擴(kuò)散型。28電氣之家-2基本理論wwa)Schottky-DiodeEpitaxial-DiodeDiffusedDiode,Nb)www2.3.1肖特基二極管和pin外延生長(zhǎng)型二極管和pin擴(kuò)散型二極管a）結(jié))摻雜度肖特基二極管有一層金屬－半導(dǎo)體過(guò)渡截止層。在導(dǎo)通時(shí)只要一個(gè)很小的電位差(硅材料大約0,3V）就能。它相對(duì)pin二極管中因?yàn)閿U(kuò)散而出現(xiàn)在pn結(jié)的電壓(硅材料大約0,7V)要小，所以對(duì)薄的n-型半導(dǎo)體層，肖特基二極管的通態(tài)壓降要低于pin二極管。在n型摻雜的半導(dǎo)體中只有電子形成電流(單極性)。在實(shí)際中當(dāng)接近這個(gè)截止電壓時(shí)，電流耗，否則就談不上熱穩(wěn)定性。當(dāng)開(kāi)關(guān)從導(dǎo)通到關(guān)斷的過(guò)程中，最理想的是在空間電荷區(qū)只有一個(gè)很小增加很快。這就必須考慮它的瞬間功能量。肖特基二極管的電荷能量只有pin二極管的大約百分之十，所以產(chǎn)生很小的功耗。它很接近理想的二極管，所以常常作為開(kāi)關(guān)二極管被用于較高的開(kāi)關(guān)頻率和作為緩沖二極管用于較低的通態(tài)壓降的實(shí)際應(yīng)用中。對(duì)于硅材料這種優(yōu)勢(shì)僅限于在電壓低于100V時(shí)。對(duì)于更高的電壓必須增加電氣之家-2基本理論wwa)Schottky-DiodeEpitaxial-DiodeDiffusedDiode,Nb)www2.3.1肖特基二極管和pin外延生長(zhǎng)型二極管和pin擴(kuò)散型二極管a）結(jié))摻雜度肖特基二極管有一層金屬－半導(dǎo)體過(guò)渡截止層。在導(dǎo)通時(shí)只要一個(gè)很小的電位差(硅材料大約0,3V）就能。它相對(duì)pin二極管中因?yàn)閿U(kuò)散而出現(xiàn)在pn結(jié)的電壓(硅材料大約0,7V)要小，所以對(duì)薄的n-型半導(dǎo)體層，肖特基二極管的通態(tài)壓降要低于pin二極管。在n型摻雜的半導(dǎo)體中只有電子形成電流(單極性)。在實(shí)際中當(dāng)接近這個(gè)截止電壓時(shí)，電流耗，否則就談不上熱穩(wěn)定性。當(dāng)開(kāi)關(guān)從導(dǎo)通到關(guān)斷的過(guò)程中，最理想的是在空間電荷區(qū)只有一個(gè)很小增加很快。這就必須考慮它的瞬間功能量。肖特基二極管的電荷能量只有pin二極管的大約百分之十，所以產(chǎn)生很小的功耗。它很接近理想的二極管，所以常常作為開(kāi)關(guān)二極管被用于較高的開(kāi)關(guān)頻率和作為緩沖二極管用于較低的通態(tài)壓降的實(shí)際應(yīng)用中。對(duì)于硅材料這種優(yōu)勢(shì)僅限于在電壓低于100V時(shí)。對(duì)于更高的電壓必須增加n-型半導(dǎo)體的厚度，同時(shí)就會(huì)使通態(tài)壓降增高很多。在這種電壓范圍內(nèi)將采用一些能耐高場(chǎng)強(qiáng)的材料，比如砷化鎵(GaAs，<=600V)和碳化硅(SiC，<=1700V)。它們有同pin二極管相似的導(dǎo)通特性，所以保持了半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢(shì)。但它們的基本材料和制造費(fèi)用相當(dāng)高昂，往往被用在一些特殊的場(chǎng)合，比如要求很高的效率，很高的開(kāi)關(guān)頻率和很高的溫度的場(chǎng)合。29n+nn+nnn+pn-n+pn-n+n-SchottkyBarriern+電氣之家-2基本理論P(yáng)in外延結(jié)晶型在電壓超過(guò)100V時(shí)，pin二極管就有明顯優(yōu)勢(shì)。在現(xiàn)在的二極造技術(shù)中，中間的半導(dǎo)體層不再是本征半導(dǎo)體，而是相對(duì)外部半導(dǎo)體摻雜度很低的n-型半導(dǎo)體。二極管的外延技術(shù)是在高摻雜的n+型半導(dǎo)體基板上外延結(jié)晶一層n半導(dǎo)體(見(jiàn)圖2.3.1)，然后再擴(kuò)散到p型半導(dǎo)體區(qū)。用這種方法可以獲得很薄的厚度wB，大約在幾微米的數(shù)量級(jí)。通過(guò)引進(jìn)再結(jié)合(中心)層(大部分采用金屬金)能制造出很快的二極管。因?yàn)楹穸葁B很薄，雖然增加了再結(jié)合層，但通態(tài)壓降仍然很低。當(dāng)然，通態(tài)壓降總是大于pn結(jié)的擴(kuò)散勢(shì)壘(0,6到0.8V)。外延型二極管主要應(yīng)用在電壓范圍在100V到600V之間。有些制造商造出了耐壓在1200V的外延型二極管。軸向方案當(dāng)耐壓超過(guò)1000V時(shí)，n-區(qū)的寬度就很大，它只能用擴(kuò)散性PIN二極管(圖2.3.1,右)來(lái)實(shí)現(xiàn)。它是在n-性材料的基板上(晶片)，擴(kuò)散形成p-區(qū)和n+區(qū)。同樣引進(jìn)再結(jié)合(中心)層，通過(guò)移植質(zhì)子或He++離子會(huì)形成同圖2.3.2相類(lèi)似的再結(jié)合曲線。在移植時(shí)需要使用在10MeV范圍的粒子電氣之家-2基本理論P(yáng)in外延結(jié)晶型在電壓超過(guò)100V時(shí)，pin二極管就有明顯優(yōu)勢(shì)。在現(xiàn)在的二極造技術(shù)中，中間的半導(dǎo)體層不再是本征半導(dǎo)體，而是相對(duì)外部半導(dǎo)體摻雜度很低的n-型半導(dǎo)體。二極管的外延技術(shù)是在高摻雜的n+型半導(dǎo)體基板上外延結(jié)晶一層n半導(dǎo)體(見(jiàn)圖2.3.1)，然后再擴(kuò)散到p型半導(dǎo)體區(qū)。用這種方法可以獲得很薄的厚度wB，大約在幾微米的數(shù)量級(jí)。通過(guò)引進(jìn)再結(jié)合(中心)層(大部分采用金屬金)能制造出很快的二極管。因?yàn)楹穸葁B很薄，雖然增加了再結(jié)合層，但通態(tài)壓降仍然很低。當(dāng)然，通態(tài)壓降總是大于pn結(jié)的擴(kuò)散勢(shì)壘(0,6到0.8V)。外延型二極管主要應(yīng)用在電壓范圍在100V到600V之間。有些制造商造出了耐壓在1200V的外延型二極管。軸向方案當(dāng)耐壓超過(guò)1000V時(shí)，n-區(qū)的寬度就很大，它只能用擴(kuò)散性PIN二極管(圖2.3.1,右)來(lái)實(shí)現(xiàn)。它是在n-性材料的基板上(晶片)，擴(kuò)散形成p-區(qū)和n+區(qū)。同樣引進(jìn)再結(jié)合(中心)層，通過(guò)移植質(zhì)子或He++離子會(huì)形成同圖2.3.2相類(lèi)似的再結(jié)合曲線。在移植時(shí)需要使用在10MeV范圍的粒子。NA,NDNrec2.3.2通過(guò)照射形成再結(jié)合層的密度曲線[文獻(xiàn)4][文獻(xiàn)5]給出了，當(dāng)再結(jié)合層的密度峰值在pn結(jié)上是最佳選擇。[文獻(xiàn)6]中指出了，當(dāng)再結(jié)合層越靠近pn結(jié)，反向電流的峰值和通態(tài)壓降的關(guān)系越好。在導(dǎo)通時(shí)的n--n+-過(guò)渡層，我們可以得到一個(gè)反向的高密度的電荷分布圖。在圖2.3.3表示了再結(jié)合層的峰值是在p區(qū)靠近pn結(jié)的一側(cè)，這樣可以降低截止電流。He++離子的移植可以與基本電荷載子的現(xiàn)。調(diào)節(jié)相結(jié)合，通過(guò)電子輻射來(lái)實(shí)1E+RecombinationCentersPeak1E+15BasicRecombinationCenterDensity1E+14npn1E+13200x[μm]圖2.3.3CAL二極管的再結(jié)合層的分布30N[cm-3]Nrecp+ n+n-電氣之家-2基本理論可以通過(guò)改變移植He++離子的濃度再結(jié)合層的峰值，再結(jié)合層的峰值越高反向電流的峰值就越低。CAL二極管的主要電荷出現(xiàn)在拖尾電流中，而拖尾電流本身可以通過(guò)再結(jié)合層的基本密度來(lái)調(diào)節(jié)?？s短載流離子的可以使拖尾電流變短，但卻增加了二極管的通態(tài)壓降。通過(guò)載流離子的和He++離子的注入濃度這兩個(gè)參數(shù)，可以大幅度的調(diào)節(jié)恢復(fù)特性。我們可以實(shí)現(xiàn)一種在所有條件下，特別是在小電流時(shí)，具備軟恢復(fù)特性的二極管。這樣的CAL二極管具有很好的動(dòng)態(tài)堅(jiān)固性。在的條件下，設(shè)計(jì)耐壓為1200V和1700V的CAL二極管承受住了15kA/cm2μs沖擊，二極管沒(méi)有被損壞。在CAL二極管中，基極的寬度wB可以設(shè)計(jì)的相對(duì)較小，接近在第章節(jié)所描述的穿透方案。因此，得到相對(duì)較低的通態(tài)壓降，并達(dá)到在通態(tài)壓降和開(kāi)關(guān)特性之間較好折衷結(jié)果。wB還對(duì)二極管的開(kāi)通特性有重要影響，開(kāi)通過(guò)電壓VFR隨著wB的增加而增加。同傳統(tǒng)的二極管相比較，耐壓電氣之家-2基本理論可以通過(guò)改變移植He++離子的濃度再結(jié)合層的峰值，再結(jié)合層的峰值越高反向電流的峰值就越低。CAL二極管的主要電荷出現(xiàn)在拖尾電流中，而拖尾電流本身可以通過(guò)再結(jié)合層的基本密度來(lái)調(diào)節(jié)?？s短載流離子的可以使拖尾電流變短，但卻增加了二極管的通態(tài)壓降。通過(guò)載流離子的和He++離子的注入濃度這兩個(gè)參數(shù)，可以大幅度的調(diào)節(jié)恢復(fù)特性。我們可以實(shí)現(xiàn)一種在所有條件下，特別是在小電流時(shí)，具備軟恢復(fù)特性的二極管。這樣的CAL二極管具有很好的動(dòng)態(tài)堅(jiān)固性。在的條件下，設(shè)計(jì)耐壓為1200V和1700V的CAL二極管承受住了15kA/cm2μs沖擊，二極管沒(méi)有被損壞