第3章現(xiàn)代電力電子器件

第3章現(xiàn)代電力電子器件第一頁，共129頁。第3章現(xiàn)代電力電子器件3.1概述

3.2電力電子器件原理與特性

3.3現(xiàn)代整流二極管

3.4功率MOS3.5絕緣柵雙極晶體管(IGBT)

3.6寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件

3.7本章小結(jié)第二頁，共129頁。3.1概述3.1.1電力電子器件概述

3.1.2發(fā)展沿革與趨勢第三頁，共129頁。3.1.1電力電子器件概述1.電力電子器件的基本構(gòu)成

2.電力電子器件的分類及其特點(diǎn)第四頁，共129頁。1.電力電子器件的基本構(gòu)成1)PN結(jié)：P型(以帶正電的空穴作為主要載流子)和N型(以電子為主要載流子)半導(dǎo)體薄層或微區(qū)在原子尺度上的緊密結(jié)合體；P層和N層為同種材料者叫同質(zhì)結(jié)，為不同材料者叫異質(zhì)結(jié)。

2)金屬-半導(dǎo)體肖特基勢壘接觸(MES)：有選擇的金屬薄層與半導(dǎo)體表面的緊密接觸，具有類似于PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?/p>

3)金屬-氧化物-半導(dǎo)體系統(tǒng)(MOS)：半導(dǎo)體硅表面經(jīng)氧化處理后再淀積一層金屬薄膜構(gòu)成的3層系統(tǒng)，例如Al-SiO2-Si系統(tǒng)。第五頁，共129頁。2.電力電子器件的分類及其特點(diǎn)圖3-1主要雙極電力電子器件的構(gòu)造示意圖電力電子器件按功能分為整流和開關(guān)兩大類，按基本工作原理分為單極器件、雙極器件和復(fù)合型器件三大類。單極器件指僅由一種載流子(N型半導(dǎo)體中的電子或P型半導(dǎo)體中的空穴，即多數(shù)載流子)導(dǎo)電的器件，雙極器件指額外載流子(熱平衡統(tǒng)計(jì)數(shù)之外的載流子)也參與導(dǎo)電，而且對(duì)器件特性產(chǎn)生重要影響的器件。雙極器件完全以PN結(jié)作為基本構(gòu)成元素，其電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)即歸功于PN結(jié)正向?qū)〞r(shí)的額外載流子注入。第六頁，共129頁。2.電力電子器件的分類及其特點(diǎn)圖3-2普通SBD和帶PN結(jié)的SBD第七頁，共129頁。2.電力電子器件的分類及其特點(diǎn)圖3-3P溝和N溝平面MOSFET第八頁，共129頁。2.電力電子器件的分類及其特點(diǎn)圖3-4功率MOS和IGBT結(jié)構(gòu)示意圖第九頁，共129頁。2.電力電子器件的分類及其特點(diǎn)圖3-5SIT和SITH結(jié)構(gòu)示意圖第十頁，共129頁。20世紀(jì)50年代中后期之前，在電力系統(tǒng)中起整流和開關(guān)作用的有源電子器件主要是真空管和離子管等電真空器件。自20世紀(jì)70年代中后期起，各種通、斷兩態(tài)雙可控的大功率開關(guān)器件逐漸開始推廣應(yīng)用。3.1.2發(fā)展沿革與趨勢第十一頁，共129頁。3.1.2發(fā)展沿革與趨勢圖3-650V功率MOSFET的比電阻同結(jié)構(gòu)

單元的重復(fù)距離及工藝水平的關(guān)系第十二頁，共129頁。3.1.2發(fā)展沿革與趨勢圖3-7功率集成電路的基本功能與構(gòu)成第十三頁，共129頁。3.2電力電子器件原理與特性3.2.1整流原理與阻斷特性

3.2.2開關(guān)原理與頻率特性

3.2.3電導(dǎo)調(diào)制原理與通態(tài)特性

3.2.4功率損耗原理與高溫特性第十四頁，共129頁。3.2.1整流原理與阻斷特性1.PN結(jié)

2.肖特基勢壘接觸第十五頁，共129頁。1.PN結(jié)當(dāng)同一種半導(dǎo)體的N型薄層和P型薄層緊密結(jié)合成PN結(jié)時(shí)，二者之間同種載流子密度的懸殊差異引起空穴從P區(qū)向N區(qū)、電子從N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散。對(duì)P區(qū)，空穴離開后留下了不可動(dòng)的帶負(fù)電的電離受主，形成負(fù)空間電荷區(qū)。同樣，電子的擴(kuò)散在PN結(jié)附近的N型側(cè)形成一個(gè)由不可動(dòng)的電離施主構(gòu)成的正空間電荷區(qū)。這些空間電荷產(chǎn)生從N區(qū)指向P區(qū)的電場，稱之為自建電場。PN結(jié)空間電荷區(qū)及其自建電場的建立，反映在載流子的能量關(guān)系上就是如圖3-8所示的能帶彎曲。第十六頁，共129頁。1.PN結(jié)圖3-8熱平衡狀態(tài)下的PN結(jié)能帶圖第十七頁，共129頁。1.PN結(jié)外加電壓使PN結(jié)偏離熱平衡狀態(tài)，空間電荷區(qū)及其中的能帶彎曲發(fā)生相應(yīng)改變，并有相應(yīng)的電流產(chǎn)生。對(duì)P區(qū)接正、N區(qū)接負(fù)的正偏置狀態(tài)，外加電壓U在空間電荷區(qū)內(nèi)產(chǎn)生與自建電場方向相反的電場，使總電場強(qiáng)度降低，空間電荷減少，空間電荷區(qū)變窄，勢壘高度也相應(yīng)地由qVD降低到q(VD-U)，如圖3-9a所示。少子注入提高了P區(qū)和N區(qū)的載流子密度，改善了PN結(jié)的導(dǎo)電性。由于少子的注入量與正偏壓的大小有關(guān)，因而導(dǎo)電性的改善程度依賴于電壓的大小。這就是電導(dǎo)調(diào)制，是PN結(jié)的基本效應(yīng)之一，是雙極器件通流能力強(qiáng)的根本原因。對(duì)P區(qū)接負(fù)、N區(qū)接正的反偏置狀態(tài)，偏壓-U在空間電荷區(qū)中產(chǎn)生的電場與自建電場方向一致，因而使空間電荷區(qū)展寬，電場升高，勢壘高度由qVD增高至q(VD+U)，如圖3-9b所示。第十八頁，共129頁。1.PN結(jié)圖3-9正偏置PN結(jié)和反偏置PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖第十九頁，共129頁。1.PN結(jié)第二十頁，共129頁。1.PN結(jié)PN結(jié)有三種不同的擊穿機(jī)制，分別是雪崩擊穿、隧道擊穿和熱電擊穿。(1)雪崩擊穿

(2)隧道擊穿

(3)熱電擊穿(二次擊穿)第二十一頁，共129頁。1.PN結(jié)圖3-10一個(gè)理想硅PN結(jié)的伏安特性曲線第二十二頁，共129頁。(1)雪崩擊穿第二十三頁，共129頁。(1)雪崩擊穿第二十四頁，共129頁。(2)隧道擊穿圖3-11重?fù)诫sPN結(jié)的隧道擊穿第二十五頁，共129頁。(3)熱電擊穿(二次擊穿)第二十六頁，共129頁。(3)熱電擊穿(二次擊穿)圖3-12PN結(jié)熱電擊穿時(shí)的

反向伏安特性第二十七頁，共129頁。2.肖特基勢壘接觸第二十八頁，共129頁。2.肖特基勢壘接觸圖3-13＞的金屬-N型半導(dǎo)體

接觸前后的能帶圖第二十九頁，共129頁。2.肖特基勢壘接觸圖3-14N型半導(dǎo)體肖特基勢壘接觸在不同偏置狀態(tài)下的電子勢壘第三十頁，共129頁。3.2.2開關(guān)原理與頻率特性1.MOS柵原理

2.PN結(jié)與MES柵原理

3.電流控制型器件的開關(guān)原理

4.PN結(jié)的反向恢復(fù)過程與雙極器件的開關(guān)特性第三十一頁，共129頁。1.MOS柵原理規(guī)定表面的電勢比內(nèi)部高時(shí)，VS取正值，反之取負(fù)值。表面勢及空間電荷區(qū)內(nèi)電荷的極性隨加在金屬-半導(dǎo)體間電壓(柵壓)UG的變化而變化，表現(xiàn)為載流子堆積、耗盡和反型三種不同特征。(1)多數(shù)載流子累積

(2)多數(shù)載流子耗盡

(3)少子變多子的反型狀態(tài)第三十二頁，共129頁。圖3-15P型MOS結(jié)構(gòu)在各種下的空間電荷分布和能帶圖

a)多數(shù)載流子累積b)多數(shù)載流子耗盡c)反型1.MOS柵原理第三十三頁，共129頁。(1)多數(shù)載流子累積當(dāng)UG<0(即金屬接負(fù))時(shí)，表面勢VS為負(fù)值，半導(dǎo)體表面層能帶向上翹，但費(fèi)米能級(jí)在熱平衡條件下保持不變，如圖3-15a所示。這時(shí)，越靠近表面，價(jià)帶頂距費(fèi)米能級(jí)越近，空穴密度越高。單就表面而言，只要表面勢隨柵壓絕對(duì)值的升高有一點(diǎn)下降，表面這個(gè)地方的空穴密度就會(huì)相對(duì)于體內(nèi)有明顯的升高，形成空穴的累積層，電導(dǎo)率比零柵壓時(shí)高。由于電離雜質(zhì)的分布并不因UG而改變，因而此時(shí)表面層因負(fù)柵壓引起的空穴累積而帶正電。這種用外加電壓累積多數(shù)載流子而提高表層導(dǎo)電能力的方法對(duì)改善器件性能十分有效，在場效應(yīng)器件中常有應(yīng)用。第三十四頁，共129頁。(2)多數(shù)載流子耗盡當(dāng)UG>0(即金屬接正)時(shí)，表面勢VS為正值，能帶在表面附近向下彎曲，形成高度為qVS的空穴勢壘，如圖3-15b所示。這時(shí)，價(jià)帶頂隨著UG的增大而在表面附近逐漸遠(yuǎn)離費(fèi)米能級(jí)，空穴密度隨之降低。表面層因空穴的退出而帶負(fù)電，電荷密度基本上等于電離受主雜質(zhì)濃度。表面層的這種狀態(tài)稱作載流子耗盡。這時(shí)，表面空穴密度隨VS絕對(duì)值的升高而指數(shù)衰減。如果表面勢壘qVS足夠高，耗盡近似能夠成立，則此時(shí)耗盡層內(nèi)的電場、電勢分布和能帶彎曲的情形跟突變PN+結(jié)中P型一側(cè)空間電荷區(qū)的情形完全相同，其寬度亦可按式(3-3)求出。第三十五頁，共129頁。(3)少子變多子的反型狀態(tài)第三十六頁，共129頁。(3)少子變多子的反型狀態(tài)第三十七頁，共129頁。(3)少子變多子的反型狀態(tài)第三十八頁，共129頁。(3)少子變多子的反型狀態(tài)圖3-16臨界強(qiáng)反型條件下

的能帶圖第三十九頁，共129頁。(3)少子變多子的反型狀態(tài)第四十頁，共129頁。(3)少子變多子的反型狀態(tài)第四十一頁，共129頁。2.PN結(jié)與MES柵原理空間電荷區(qū)中的自由載流子密度極低，利用PN結(jié)或MES結(jié)構(gòu)在反向偏置條件下形成的空間電荷區(qū)，不但可以在整流電路中阻斷反向電壓，也可在電路開啟的情況下，利用空間電荷區(qū)的擴(kuò)展和勢壘的升高將電流通路夾斷。電路需要重新開啟時(shí)，只須取消反向偏置電壓。由于反向偏置是PN結(jié)和MES結(jié)構(gòu)的高阻狀態(tài)，因而這種形式的柵跟MOS柵一樣具有功耗低、反應(yīng)快、驅(qū)動(dòng)電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。第四十二頁，共129頁。2.PN結(jié)與MES柵原理利用反偏PN結(jié)做柵制成的常開型開關(guān)器件，除圖3-5所示的SITH和SIT之外，最典型的還有JFET(結(jié)型場效應(yīng)晶體管)。這種器件因其開關(guān)速度高而廣泛應(yīng)用于微波功率控制。利用反偏MES結(jié)構(gòu)做柵，可以彌補(bǔ)砷化鎵等高電子遷移率材料和氮化鎵等寬禁帶材料因不能生長天然氧化物而難以制造高遷移率MOSFET的不足，由此制成的開關(guān)器件MESFET(肖特基柵場效應(yīng)晶體管)，是重要的微波功率器件，尤其對(duì)微波單片集成電路(MMIC)的開發(fā)具有舉足輕重的作用。第四十三頁，共129頁。3.電流控制型器件的開關(guān)原理(1)BJT開關(guān)原理

(2)普通晶閘管和GTO的開關(guān)原理第四十四頁，共129頁。(1)BJT開關(guān)原理圖3-17共射極連接NPN

晶體管示意圖第四十五頁，共129頁。(2)普通晶閘管和GTO的開關(guān)原理圖3-18晶閘管門極觸

發(fā)機(jī)構(gòu)示意圖第四十六頁，共129頁。(2)普通晶閘管和GTO的開關(guān)原理圖3-19PN結(jié)二極管關(guān)斷過程示意圖第四十七頁，共129頁。4.PN結(jié)的反向恢復(fù)過程與雙極器件的開關(guān)特性第四十八頁，共129頁。3.2.3電導(dǎo)調(diào)制原理與通態(tài)特性1.PN結(jié)的電導(dǎo)調(diào)制作用

2.器件的通態(tài)特性第四十九頁，共129頁。1.PN結(jié)的電導(dǎo)調(diào)制作用第五十頁，共129頁。1.PN結(jié)的電導(dǎo)調(diào)制作用第五十一頁，共129頁。2.器件的通態(tài)特性圖3-20通態(tài)功率MOS的等效

電阻示意圖第五十二頁，共129頁。2.器件的通態(tài)特性第五十三頁，共129頁。3.2.4功率損耗原理與高溫特性1.功率損耗

2.結(jié)溫與熱阻

3.高溫特性第五十四頁，共129頁。1.功率損耗(1)通態(tài)損耗

(2)開關(guān)損耗

(3)驅(qū)動(dòng)損耗

(4)斷態(tài)漏電損耗第五十五頁，共129頁。1.功率損耗第五十六頁，共129頁。(1)通態(tài)損耗第五十七頁，共129頁。(2)開關(guān)損耗第五十八頁，共129頁。(3)驅(qū)動(dòng)損耗第五十九頁，共129頁。(4)斷態(tài)漏電損耗第六十頁，共129頁。2.結(jié)溫與熱阻第六十一頁，共129頁。2.結(jié)溫與熱阻第六十二頁，共129頁。2.結(jié)溫與熱阻圖3-21連續(xù)功率脈沖引起的結(jié)溫變化

a)低頻b)高頻第六十三頁，共129頁。2.結(jié)溫與熱阻第六十四頁，共129頁。3.高溫特性(1)高溫通態(tài)特性

(2)高溫阻斷特性第六十五頁，共129頁。(1)高溫通態(tài)特性第六十六頁，共129頁。(2)高溫阻斷特性第六十七頁，共129頁。(2)高溫阻斷特性第六十八頁，共129頁。3.3現(xiàn)代整流二極管3.3.1普通肖特基勢壘二極管

3.3.2PN結(jié)-肖特基勢壘復(fù)合二極管

3.3.3MOS-肖特基勢壘復(fù)合二極管

3.3.4改進(jìn)的PIN二極管第六十九頁，共129頁。3.3.1普通肖特基勢壘二極管圖3-22不同整流二極管正向

特性的比較第七十頁，共129頁。3.3.1普通肖特基勢壘二極管圖3-23硅SBD功耗隨溫度和

勢壘高度的變化第七十一頁，共129頁。3.3.1普通肖特基勢壘二極管第七十二頁，共129頁。3.3.2PN結(jié)-肖特基勢壘復(fù)合二極管1.JBS(JunctionBarrierSBD)JBS是一種利用反偏PN結(jié)的空間電荷區(qū)為SBD承受較高反向偏壓，從而可使其適當(dāng)降低肖特基勢壘以保持較低正向壓降的復(fù)合結(jié)構(gòu)型器件，其結(jié)構(gòu)剖面如圖3-24所示。

2.MPS(MergedPNJunctionSBD)MPS的結(jié)構(gòu)類似于圖3-24所示的JBS復(fù)合結(jié)構(gòu)，但其設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)方法都與JBS不同。MPS的創(chuàng)意在于引進(jìn)PN結(jié)的電導(dǎo)調(diào)制作用降低SBD在高密度正向電流下的壓降。第七十三頁，共129頁。1.JBS(JunctionBarrierSBD)圖3-24JBS結(jié)構(gòu)剖面圖第七十四頁，共129頁。2.MPS(MergedPNJunctionSBD)PIN二極管一般需要在通態(tài)損耗和開關(guān)損耗之間進(jìn)行折衷。PIN二極管反向恢復(fù)電流較大的主要原因是正向?qū)〞r(shí)I區(qū)(N-漂移區(qū))存儲(chǔ)的額外載流子密度較大。MPS正向電流密度較高時(shí)雖然也有明顯的額外載流子注入，但這些載流子相對(duì)于PIN二極管中的注入載流子而言多一條360°的橫向擴(kuò)展路徑，這既提高了注入比，也提高了復(fù)合率，因而其存儲(chǔ)載流子的密度不高，反向恢復(fù)電流較小。計(jì)算機(jī)模擬表明MPS正向?qū)〞r(shí)的存儲(chǔ)電荷密度只是相同規(guī)格PIN二極管的1/4左右。由于MPS反向恢復(fù)電流的減小不是通過縮短額外載流子壽命來實(shí)現(xiàn)的，因而其正向壓降不會(huì)升高。第七十五頁，共129頁。將MOS結(jié)構(gòu)結(jié)合到SBD之中，利用MOS結(jié)構(gòu)在適當(dāng)偏壓下的載流子耗盡作用(見圖3-15b)，也可像JBS那樣在肖特基勢壘區(qū)之下再形成一個(gè)空間電荷區(qū)，使低勢壘SBD的反向漏電流大幅度極低。這種器件名叫TMBS(TrenchMOS-BarrierSBD)，其結(jié)構(gòu)如圖3-25所示。3.3.3MOS-肖特基勢壘復(fù)合二極管第七十六頁，共129頁。3.3.3MOS-肖特基勢壘復(fù)合二極管圖3-25TMBS結(jié)構(gòu)示意圖第七十七頁，共129頁。不借助于其他器件元素，也不必縮短額外載流子壽命(這會(huì)影響其他特性)，功率PIN二極管的反向恢復(fù)特性可以通過PN結(jié)自身的結(jié)構(gòu)變化得到明顯改善。這就是圖3-26所示的SSD(StaticScreenedDiode)。這種結(jié)構(gòu)與常規(guī)PIN二極管的不同之處僅在于其P層不具有均勻的厚度和雜質(zhì)濃度，而是在較低濃度的淺結(jié)P型薄層中鑲嵌了均勻分布的高濃度深結(jié)P+微區(qū)。3.3.4改進(jìn)的PIN二極管第七十八頁，共129頁。圖3-26SSD結(jié)構(gòu)示意圖3.3.4改進(jìn)的PIN二極管第七十九頁，共129頁。3.4功率MOS3.4.1功率MOS的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

3.4.2功率MOS的特征參數(shù)

3.4.3功率MOS的基本特性3.4.4功率MOS的可靠性問題第八十頁，共129頁。3.4.1功率MOS的基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.基本結(jié)構(gòu)

2.基本工作原理第八十一頁，共129頁。1.基本結(jié)構(gòu)功率MOS主要有兩種基本結(jié)構(gòu)，一種是表面不開槽的，因采用擴(kuò)散工藝而稱為DMOS(早期文獻(xiàn)中也稱VDMOS)；另一種是表面開槽的，因槽的截面形狀而簡稱為UMOS(早期開槽器件因槽截面為V形而稱為VMOS或VVMOS)。(1)DMOS

(2)UMOS

(3)CoolMOS第八十二頁，共129頁。(1)DMOSN溝道DMOS的基本結(jié)構(gòu)已在前節(jié)圖3-20中示意地畫出。與小信號(hào)電路中使用的平面N溝MOS不同，由于電子流要從襯底背面的漏極引出，制造N溝功率MOS不用P型硅片而用N型硅片，而且是重?fù)诫s的低阻硅片，以使器件通態(tài)比電阻最低。DMOS最主要的管芯制造工藝，是在N+襯底上的N-外延層中用類似于雙極型器件制造工藝中的雙擴(kuò)散技術(shù)形成一個(gè)N+PN-結(jié)構(gòu)。第八十三頁，共129頁。(2)UMOS圖3-27UMOS結(jié)構(gòu)示意圖第八十四頁，共129頁。圖3-28CoolMOS結(jié)構(gòu)示意圖(3)CoolMOS第八十五頁，共129頁。2.基本工作原理由于不同結(jié)構(gòu)功率MOS的基本工作原理大同小異，以下以基本結(jié)構(gòu)DMOS為例進(jìn)行討論。由圖3-20可見，雖然源、漏極間有兩個(gè)PN結(jié)，但是由N+源區(qū)與P阱形成的第一個(gè)PN結(jié)(PN+結(jié))已被源電極永久短接，源、漏兩電極間只在P阱與N-漂移區(qū)間的第二個(gè)PN結(jié)(PN-結(jié))被反向偏置、且導(dǎo)電溝道尚未形成之前才會(huì)處于關(guān)斷狀態(tài)。所以，源負(fù)漏正，是作為開關(guān)器件使用的N溝功率MOS的正常接法，此時(shí)的漏-源電壓UDS>0。不過，正的UDS對(duì)PN-結(jié)卻是一個(gè)反向偏置電壓，在柵-源短接時(shí)必將引起結(jié)兩側(cè)空間電荷區(qū)的擴(kuò)展。第八十六頁，共129頁。2.基本工作原理由于P阱的摻雜濃度遠(yuǎn)高于漂移區(qū)的摻雜濃度，空間電荷區(qū)主要在漂移區(qū)擴(kuò)展，是UDS的主要降落區(qū)。因此，漂移區(qū)的寬度及其摻雜濃度要符合阻斷電壓的需要，以保證器件在導(dǎo)電溝道形成之前一直處于關(guān)斷狀態(tài)。然而導(dǎo)電溝道一旦形成，漏極正電壓即驅(qū)動(dòng)電子繞開PN-結(jié)，從源區(qū)經(jīng)過溝道和漂移區(qū)向漏極運(yùn)動(dòng)，形成電流。電流的大小取決于UDS以及溝道的開通程度，而后者是柵壓UG的函數(shù)，因而柵極不但控制功率MOS的開關(guān)狀態(tài)，也控制確定UDS下漏極電流ID的大小。第八十七頁，共129頁。3.4.2功率MOS的特征參數(shù)功率MOS的通態(tài)電阻和極間電容，是兩個(gè)在本質(zhì)上取決于器件結(jié)構(gòu)，又從根本上決定著器件特性的重要參數(shù)，分別在其定態(tài)特性和瞬態(tài)特性中起著關(guān)鍵作用。第八十八頁，共129頁。3.4.2功率MOS的特征參數(shù)圖3-29功率MOS的極間電容及其與棚源電壓和漏源電壓的關(guān)系第八十九頁，共129頁。3.4.3功率MOS的基本特性1.極限參數(shù)與安全工作區(qū)

2.靜態(tài)特性

3.開關(guān)特性第九十頁，共129頁。1.極限參數(shù)與安全工作區(qū)第九十一頁，共129頁。1.極限參數(shù)與安全工作區(qū)圖3-30功率MOS正向SOA示意圖第九十二頁，共129頁。2.靜態(tài)特性(1)輸出特性

(2)轉(zhuǎn)移特性與跨導(dǎo)

(3)阻斷特性第九十三頁，共129頁。(1)輸出特性圖3-31功率MOS與功率BJT輸出特性的比較第九十四頁，共129頁。(2)轉(zhuǎn)移特性與跨導(dǎo)轉(zhuǎn)移特性指器件ID與UGS的關(guān)系。跟其他場效應(yīng)器件一樣，功率MOS也有一個(gè)最低UGS，對(duì)應(yīng)于P阱前沿強(qiáng)反型形成導(dǎo)電溝道時(shí)的最低柵壓，因而稱為開啟電壓，通常用UT表示。UGS<UT時(shí)，ID很小。N溝硅功率MOS的UT通常在2~3V左右，但為溫度的函數(shù)。溫度每升高1℃，其值約下降5mV。在UGS>UT之后，ID首先隨著UGS的升高而線性增長，然后逐漸趨于飽和。作為轉(zhuǎn)移特性的一階導(dǎo)數(shù)，跨導(dǎo)gm的大小反映了UGS對(duì)ID的控制能力。功率MOS跨導(dǎo)隨溫度的變化較小，其溫度系數(shù)大約只有-0.2%/℃。BJT的類似參數(shù)是放大系數(shù)β，其溫度系數(shù)為0.8%/℃?？梢姽β蔒OS比功率BJT的開關(guān)特性要穩(wěn)定得多。第九十五頁，共129頁。(3)阻斷特性功率MOS在柵-源電極短接的狀態(tài)下，施加在漏-源之間的正向電壓使其P阱與N-漂移區(qū)間的PN-結(jié)反向偏置，因而處于阻斷狀態(tài)。此前對(duì)阻斷狀態(tài)的分析僅著眼于N-漂移區(qū)，這其實(shí)是不夠全面的。寄生N+PN-晶體管的客觀存在，也對(duì)功率MOS的正向阻斷特性產(chǎn)生重要影響。由于P阱的主要功能是產(chǎn)生柵控導(dǎo)電溝道，其雜質(zhì)濃度受開啟電壓的限制，不能太高，因而阻斷狀態(tài)下P阱層中也有空間電荷區(qū)的形成和擴(kuò)展。第九十六頁，共129頁。3.開關(guān)特性圖3-32功率MOS在>>時(shí)的開關(guān)波形決定功率MOS開關(guān)速度的主要因素有兩個(gè)：一個(gè)是柵電極的電位變化速率，一個(gè)是載流子在漂移區(qū)的渡越時(shí)間。當(dāng)載流子的漂移路程不是很長時(shí)，第一個(gè)因素起主導(dǎo)作用，輸入電容的充放電時(shí)間成為決定開關(guān)速度的關(guān)鍵參數(shù)。第九十七頁，共129頁。3.開關(guān)特性第九十八頁，共129頁。圖3-33功率MOS開關(guān)時(shí)間常數(shù)的定義3.開關(guān)特性第九十九頁，共129頁。3.4.4功率MOS的可靠性問題1.du/dt誤導(dǎo)通模式

2.du/dt誤導(dǎo)通預(yù)防措施第一百頁，共129頁。3.4.4功率MOS的可靠性問題圖3-34分析du/dt誤導(dǎo)通的等效電路第一百零一頁，共129頁。1.du/dt誤導(dǎo)通模式(1)模式Ⅰ

(2)模式Ⅱ第一百零二頁，共129頁。(1)模式Ⅰ參照?qǐng)D3-34，當(dāng)UGS=0、功率MOS處于關(guān)斷狀態(tài)并準(zhǔn)備繼續(xù)維持關(guān)斷時(shí)，若在漏-柵之間加上一個(gè)隨時(shí)間變化的電壓u(t)，該電壓即會(huì)通過電容CGD在柵-源回路中產(chǎn)生一個(gè)位移電流IM1，其值為IM1=CGDdu(t)/dt若該電壓變化很快，以至IM1大到通過柵極電阻Rg產(chǎn)生的壓降UGS能夠超過功率MOS的開啟電壓UT，則功率MOS即被誤導(dǎo)通。在這種模式中的臨界du/dt值為［du(t)/dt］T1=UT/(RgCGD)第一百零三頁，共129頁。(1)模式Ⅰ該式表明，當(dāng)電壓變化較快時(shí)，為了保證器件運(yùn)行的可靠性，需要設(shè)計(jì)阻抗很低的柵極驅(qū)動(dòng)電路，并極力避免高溫運(yùn)行，因?yàn)閁T隨溫度升高而降低，使器件du/dt耐量下降。如此看來，讓功率MOS在柵-源開路的狀態(tài)下工作是不可靠的，而在柵-源短路的狀態(tài)下工作則可使其du/dt耐量極大提高。不過，這種du/dt效應(yīng)在一般情況下只引起誤導(dǎo)通，而不會(huì)損壞器件。這是因?yàn)?，一則柵壓不大會(huì)超過UT太多，二則器件誤導(dǎo)通后，其漏-源間電阻會(huì)下降，du/dt即會(huì)相應(yīng)減小。由于柵壓不會(huì)太高，誤導(dǎo)通產(chǎn)生的漏極電流不會(huì)太大，因此電路中的其他元器件也不會(huì)受到損壞。第一百零四頁，共129頁。(2)模式Ⅱ另一種du/dt誤導(dǎo)通機(jī)制與寄生晶體管有關(guān)。與第一種模式的起源類似，斜坡電壓u(t)通過電容CDS產(chǎn)生位移電流IM2，其值為IM2=CDSdu(t)/dt若此電流足夠大，以致它在電阻Rb上產(chǎn)生的壓降足以使寄生晶體管的發(fā)射結(jié)正向?qū)?，寄生晶體管本身即被開通，主器件的漏-源電極間就會(huì)有電流通過。第一百零五頁，共129頁。2.du/dt誤導(dǎo)通預(yù)防措施功率MOS電路中有兩種基本的du/dt產(chǎn)生機(jī)制。一種是帶感性負(fù)載的功率MOS突然關(guān)斷時(shí)負(fù)載對(duì)器件的電壓回授。另一種du/dt產(chǎn)生機(jī)制與功率MOS體內(nèi)的寄生反并聯(lián)二極管有關(guān)。該二極管的反向恢復(fù)過程有可能在主器件的漏-源電極之間產(chǎn)生斜坡電壓。與上述感性負(fù)載的電壓回授機(jī)制不同，這種機(jī)制不一定使器件失效，除非下列三種情況同時(shí)出現(xiàn)：1)該二極管在開關(guān)循環(huán)中導(dǎo)通。

2)該二極管反向恢復(fù)很快。

3)該二極管的存儲(chǔ)電荷要靠一個(gè)足夠高的再加電壓來消除，其幅值至少是主器件BUDS額定值的30%~50％。第一百零六頁，共129頁。3.5絕緣柵雙極晶體管(IGBT)3.5.1IGBT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

3.5.2IGBT的工作特性

3.5.3安全工作區(qū)

3.5.4特種IGBT與IGBT的進(jìn)化第一百零七頁，共129頁。3.5.1IGBT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理圖3-35N溝道IGBT結(jié)構(gòu)示意圖第一百零八頁，共129頁。3.5.1IGBT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理圖3-36IGBT在不同柵壓

狀態(tài)下的伏安特性曲線第一百零九頁，共129頁。3.5.2IGBT的工作特性1.靜態(tài)特性

2.動(dòng)態(tài)特性

3.高溫特性第一百一十頁，共129頁。1.靜態(tài)特性圖3-37分析IGBT通態(tài)特性的等效電路

a)PIN/MOS等效電路b)BJT/MOS等效電路第一百一十一頁，共129頁。1.靜態(tài)特性圖3-38基于PIN/MOS模型的第一百一十二頁，共129頁。1.靜態(tài)特性3-39.耐壓600V的IGBT與相同規(guī)格BJT和功率MOS的通態(tài)特性比較第一百一十三頁，共129頁。2.動(dòng)態(tài)特性圖3-40IGBT關(guān)斷過程中和波形第一百一十四頁，共129頁。3.高溫特性圖3-41一個(gè)IGBT試驗(yàn)器件在不同集電極電流

下的通態(tài)壓降隨環(huán)境溫度的變化情況第一百一十五頁，共129頁。3.5.3安全工作區(qū)作為一種復(fù)合型器件，IGBT的優(yōu)化設(shè)計(jì)有兩種不同的做法。一種把IGBT當(dāng)作電導(dǎo)調(diào)制型功率MOS，其優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是其中的MOSFET部分；另一種把IGBT當(dāng)做MOS驅(qū)動(dòng)的BJT，其優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是其中的BJT部分。因而不同商家、不同型號(hào)IGBT的SOA會(huì)有較大差別。設(shè)計(jì)上偏重于MOSFET的，其SOA的特征當(dāng)更接近于功率MOS，其工作參數(shù)選擇的安全性主要受極限參數(shù)的限制；而設(shè)計(jì)上更注重于BJT的電流增益和電導(dǎo)調(diào)制的，則其SOA也必然會(huì)受到一些自鎖效應(yīng)和熱電二次擊穿的限制。第一百一十六頁，共129頁。3.5.4特種IGBT與IGBT的進(jìn)化1.P溝IGBT

2.高壓IGBT

3.高溫IGBT

4.槽柵IGBT

5.IGBT的進(jìn)化第一百一十七頁，共129頁。1.P溝IGBT在數(shù)字和儀表控制電路中常常采用互補(bǔ)器件技術(shù)來提高電路的負(fù)載能力和抗干擾能力，降低功耗。比如N溝MOS與P溝MOS并聯(lián)組成的CMOS結(jié)構(gòu)。P溝IGBT即為此目的而開發(fā)。由于硅中空穴的遷移率只有電子遷移率的1/3左右，相同尺寸P型溝道的通態(tài)電阻是N型溝道的三倍左右，所以P溝功率MOS很少使用。但是IGBT的情況有所不同。由于集電結(jié)j1的注入作用，P溝IGBT正向?qū)〞r(shí)由集電區(qū)注入到長基區(qū)的是遷移率高的電子，其電導(dǎo)調(diào)制效果比N溝IGBT強(qiáng)，在柵壓足夠高的線性工作區(qū)狀態(tài)下，這足以彌補(bǔ)溝道電阻的增高。N溝IGBT的溝道電阻雖然相對(duì)較低，但其j1結(jié)向基區(qū)注入的是遷移率較低的空穴。所以，在條件相同的情況下，P溝IGBT和N溝IGBT的通態(tài)壓降其實(shí)很接近，使之更適合于互補(bǔ)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。第一百一十八頁，共129頁。2.高壓IGBT跟功率MOS一樣，提高IGBT的阻斷電壓也需要提高其長基區(qū)的材料電阻率，并增加其寬度。但是，由于j1結(jié)的高密度少子注入，IGBT的通態(tài)壓降受長基區(qū)電阻率的影響不大，主要取決于長基區(qū)的寬度。當(dāng)IGBT的阻斷電壓隨長基區(qū)的加寬和材料電阻率的增高而提高時(shí)，與相同條件下的功率MOS相比，其通態(tài)壓降的增加要小得多。用阻斷電壓分別為300V、600V和1200V的對(duì)稱結(jié)構(gòu)IGBT所作的通態(tài)特性比較測試表明，IGBT的通態(tài)電流密度近似地隨著擊穿電壓二次方根的增加而減小。電流密度以如此平緩的比率減小的特點(diǎn)，表明了開發(fā)高壓大電流IGBT的可行性。第一百一十九頁，共129頁。3.高溫IGBT如前所述，IGBT的MOSFET部分和PIN二極管部分互補(bǔ)的高溫特性使其很適合于在高溫環(huán)境下使用，尤其是針對(duì)高溫應(yīng)用目標(biāo)而充分利用這種互補(bǔ)性專門設(shè)計(jì)的高溫IGBT。這種器件在額定電流下的通態(tài)壓降幾乎不隨溫度變化，而在最高允許電流下具有一定大小的正溫度系數(shù)，從而確保良好的均流效果，有利于組裝大電流IGBT模塊。高溫IGBT通常都采用P基區(qū)局部短路的非對(duì)稱器件結(jié)構(gòu)(參考圖3-35)，以進(jìn)一步防止寄生晶閘管在高溫工作狀態(tài)下可能發(fā)生的自鎖效應(yīng)，其工作溫度高達(dá)200℃。第一百二十頁，共129頁。4.槽柵IGBT槽柵IGBT的柵極結(jié)構(gòu)與圖3-27所示的UMOS相同，可將其看成是將UMOS的N+襯底換成P+襯底的結(jié)果，因而又叫UMOS-IGBT。與UMOS類似，其U形槽必須挖到j(luò)2結(jié)之下，以使N+發(fā)射極與N基區(qū)之間能夠用柵壓感應(yīng)的N型溝道連通。此外，槽柵結(jié)構(gòu)可以縮小器件單元的中心距，使溝道密度增加5倍。因此槽柵IGBT的通態(tài)特性有很大改善，在N基區(qū)額外載流子壽命較高的場合，其通態(tài)壓降相對(duì)于平面柵IGBT能降低大約1/3；在為了提高開關(guān)速度而降低額外載流子壽命的情況下，這兩種結(jié)構(gòu)的通態(tài)壓降會(huì)相差更大。槽柵IGBT的抗自鎖能力也比平面柵IGBT高，這歸因于槽柵結(jié)構(gòu)中空穴電流路徑從橫向改為縱向，空穴電流的電阻只由N+發(fā)射區(qū)的深度決定，其值甚小，由此產(chǎn)生的壓降很低。第一百二十一頁，共129頁。5.IGB