1、目 錄第一章 電力半導體器件的發展概況51.1 電力半導體器件與電力電子技術51.2 電力半導體器件的分類與發展61.2.1 雙極型電力半導體器件61.2.2 mos結構電力半導體器件91.2.3電力整流管121.2.4功率集成電路（pic）131.3新型半導體材料在電力半導體器件中的應用13第二章 電力整流管152.1 電力整流二極管的基本結構和類型152.1.1功率二極管的基本結構152.1.2 功率整流管的基本類型15 2.2 pn結二極管162.2.1整流方程162.3 pin二極管172.3.1 pin二極管的一般理論172.3.2 pin二極管的正向特性192.3.3降低二極管正向

2、壓降的途徑242.3.4 pin二極管的反向恢復262.4 二極管的反向耐壓特性與耐壓設計282.4.1 單邊突變結（p-n）結的雪崩擊穿電壓282.4.2 p+nn+二極管的擊穿電壓29 2.4.3二極管耐壓的設計302.5 表面造型與保護322.5.1表面電場與表面擊穿32 2.5.2結的的邊緣造型技術33 2.5.3 整流管的表面造型372.5.4 p-n結的表面鈍化與保護372.6 快速整流管402.6.1 反向恢復時間402.6.2 快速整流管高頻應用的原理402.6.3快速整流管的電參數412.7 肖特基整流管412.7.1肖特基勢壘的伏安特性412.7.2 肖特基整流管的結構及其

3、電參數的特色422.8 mps二極管432.8.1mps二極管的結構442.8.2 mps二極管的靜態特性442.8.3瞬態特性46第三章 巨型晶體管(gtr)483.1 達林頓晶體管483.1.1簡單級連達林頓晶體管483.1.2 實用功率達林頓晶體管493.1.3 功率達林頓晶體管中得電阻503.1.4 r1阻值與ib、icm的關系523.1.5 r1 、r2電阻阻值對器件開關特性得影響533.2 功率達林頓器件的版圖設計方法543.3 功率達林頓器件的縱向結構與參數設計553.3.1 高阻層厚度及電阻率的確定563.3.2結深的控制原則563.3.3基區表面濃度與次表面濃度對器件性能的影

4、響573.4 功率達林頓晶體管的特性曲線583.4.1 bvebo特性曲線583.4.2 bvceo曲線583.4.3輸出特性曲線593.5 gtr模塊及其特點593.6 gtr芯片的設計613.6.1發射區圖形的設計613.6.2 gtr芯片內部各管面積的分配623.6.3 gtr芯片內部電阻r1r3的設計633.6.4芯片設計中電阻對gtr性能影響的定量分析643.7 gtr結構的設計643.7.1 gtr的內部結構653.7.2 gtr的外部結構673.7.3 gtr的電路結構68第四章 晶閘管靜態特性704.1 概述704.1.1基本結構和基本特性704.1.2基本工作原理724.2

5、晶閘管的耐壓能力734.2.1pnpn結構的反向轉折電壓734.2.2 pnpn結構的正向轉折電壓754.2.3晶閘管的高溫特性764.3 晶閘管最佳阻斷參數的確定794.3.1最佳正、反向阻斷參數的確定794.3.2 因子設計法824.3.3 p2區相關參數的估算844.4 晶閘管的門極特性與門極參數的計算894.4.1 晶閘管的觸發方式894.4.2 門極參數934.4.3門極觸發電流、觸發電壓的計算934.3.3中心放大門極觸發電流、電壓的計算964.5 晶閘管的通態特性994.5.1通態特征分析994.5.2 計算晶閘管正向壓降的模型1014.5.3 正向壓降的計算103第五章 晶閘管

6、動態特性1095.1晶閘管的開通過程與特性1095.1.1 晶閘管開通時的電流電壓變化1095.1.2 開通過程1115.1.3 開通時間1125.1.4 等離子區的擴展1155.1.5 開通過程中的功率損耗1185.2 通態電流臨界上升率1195.2.1 開通過程中的電流上升率(di/dt)1195.2.2 提高di/dt耐量的措施1205.3 斷態電壓臨界上升率1235.3.1 dv/dt引起的開通1235.3.2 提高dv/dt耐量的途徑1245.4 關斷特性1265.4.1 關斷方法1265.4.2 關斷的物理過程1275.4.3 關斷時間與元件參數之間的關系1305.4.4 減小關斷

7、時間的措施131第六章 耗散功率與散熱1336.1耗散功率1336.1.1通態耗散功率1336.1.2 開通耗散功率1346.1.3 關斷耗散功率1346.1.4 阻斷耗散功率1346.1.5 門極耗散功率1356.2散熱1356.2.1 自然冷卻散熱1366.2.2 風冷散熱1366.2.3水冷散熱1376.2.4油冷散熱1376.2.5沸騰冷卻散熱138第七章 晶閘管的設計1397.1 晶閘管設計的特點及原則1397.1.1 晶閘管設計的特點1397.1.2 設計方法與步驟1397.1.3 晶閘管的設計原則1397.2 晶閘管設計方法1407.2.1 設計思想1407.2.2 晶閘管設計的

8、主要因素1407.2.3 縱向結構的設計1417.2.4 橫向結構（門極陰極圖形）設計1447.3 晶閘管設計舉例1487.3.1 設計技術指標1487.3.2 設計思想1487.3.3 設計計算1487.3.4 驗算152第一章 電力半導體器件的發展概況1956年可控硅整流器(英文縮寫scr，泛稱晶閘管)的發明并于次年由ge公司推出商品，是半導體應用由弱電跨入強電的里程碑。其后平面工藝和外延技術的發明，又使半導體器件向兩大分支發展：一支以晶體管或其它半導體器件組成愈來愈小的集成電路，為適應微型化發展，形成了以半導體集成電路為主體的新興學科一微電子學；另一分支則是以晶閘管為主體的功率(電力)半

9、導體分立器件，向愈來愈大的功率方向發展，為解決電力電子與控制技術形成了以靜態功率變換和電子控制為主要內容的新興邊緣學科電力電子學。1.1 電力半導體器件與電力電子技術1973年，newell在第四屆硅電力電子學專家會議（pesc）上提出，電力電子學是介于電器工程三大領域：電力、電子與控制之間的邊緣學科，并用圖11的所謂“倒三角”定義來說明。這一定義已被國際上所公認。根據“倒三角”定義，電力電子學就是已晶閘管為主體的功率（電力）半導體器件為核心部件，跨于電力、電子和控制三大領域的一門邊緣學科。圖11 電力電子學“倒三角”定義作為邊緣學科的電力電子學，它所包含的內容及其廣泛，既有半導體器件問題，也

10、有電路、控制、裝置即器件的應用問題。盡管它們都有各自的理論裝置、系統和發展方向，但它們之間又是相互關聯的。電力半導體器件的發展，特別是新型器件的出現和采用，都會以自己的特長占有不同的應用領域，使應用面不斷拓寬和擴大；反過來，電力電子技術的發展對器件提出更高的要求，又會促進器件的性能的提高和新器件的發展。因為用什么器件的串、并聯技術，用什么樣的電路來實現裝置設備，反映了器件與線路之間的關系。新的器件能促進電路達到新的水平，而新的電路則可禰補器件性能之不足。為了使電路達到更完善的水平，還必須提高控制水平；這就要求采用新的控制方式和使用新的工具。但是，器件、電路及系統控制的最終目的是要完成一個實用的

11、電力電子裝置。由此可見，電力電子學把器件、裝置、控制系統緊密地聯系在一起，它們相輔相戍，形成一個具有內在系統性的有機體。作為一門應用科學，它廣泛應用于科學研究，國民經濟中的電力、交通、通訊、冶金、機械、化工、儀器儀表及國防工業等部門，并逐步推廣到家用電器等應用領域。特別是電力電子技術作為節能最富有成效的技術之一，已成為發展快、生命力強的技術之一。電力電子技術作為國民經濟各項高技術發展的基礎技術，為大幅度節能， 機電一體化，提高生產效能提供主要支撐技術，而電力電子技術的核心和基礎則是電力半導體器件。1.2 電力半導體器件的分類與發展電力電子技術發展的快慢，在很大程度上取決于電力電子器件的發展水平

12、。器件容量的擴大和結構原理的更新，特別是新型器件的出現都是各種應用技術發展的要求和半導體器件理論、半導體材抖、半導體工藝發展的結果。近幾十年來，新技術、新工藝方面就出現了中子姬變摻雜，電子輻照、輻照的壽命控制技術；器件的cad技術；pn結表面造型及終端技術；器件的高可靠技術等；以及由微電子技術引入的精細加工技術，等等。電力半導體器件的基本理論，從電流模式發展到電荷控制模式；出現了短路陰極理論；表面理論；gto晶閘管從一維關斷理論發展為二維關斷模式，引入了陽極短路，隱埋門極等新結構；gtr的達林頓結構形式引伸到各種復合器件，并成為mos一雙極型復合器件的基本結構形式；特別是微電子技求與電力器件制

13、造技術相結合所產生的集成功率器件，使得以往不被人們重視的電力半導體一躍而成為高科技發展之列。此外，器件的封裝已由壓焊發展到壓接式和全壓接結構。總之，電力半導體已在材料、器件基本理論、設計原理、制造技術等諸方面形成了自己的體系和發展方向，成為半導體的一大獨立分支。下面簡要介紹各類器件的發展概況。1.2.1 雙極型電力半導體器件 50年代第一個晶閘管和雙極晶體管成為商品，標志著固態電力電子技術的開始。此后，雙極型半控器件(如:晶閘管、光控晶閘管、逆導晶閘管等)和全控型器件(門極可關斷晶閘管、電力晶體管、靜電感應晶閘管等)相繼出現，品類繁多，且其電壓、電流等額定值得到穩定提高。特別是70年代ntd硅

14、單晶的試制成功，雙擴散工藝的成熟以及雙正角造型技術的使用，使器件的電壓、電流、頻率等額定值達到很高水平。圖1-1 (a)和(b)分別示出了普通晶閘管、光控晶閘管、快速晶閘管的目前水平及其發展趨勢。圖1-2 (a)和(b)分別示出了gto , sith的目前水平及其發展趨勢。雖然這些器件已在電力電子技術領域得到廣泛的應用，但由于scr , ltt等半控器件存在著不能用門極控制其關斷，因而需要繁鎖、復雜的輔助關斷電路；又由于gto，gtr等全控器件存在著需要較大的控制電流，因而需要由分立器件組成的龐大門極控制電路等原因，使這些器件的發展和使用受到很大的影響。圖1-1普通晶閘管、光控晶閘管及快速晶閘

15、管的額定值(a)及其發展趨勢(b)圖1-2可關斷晶閘管、靜電感應晶閘管的額定值(a)及其發展趨勢(b)目前相控晶閘管已廣泛用于直流電機調速，交流風機和水泵的變壓調速以及調光、調溫等領域。雖然相控方法在交流電網內產生諧波和較差的功率因數，而且其使用正在逐步減少，但這是一種電網電壓控制和變換的經濟而簡便的方法，特別是相控的固有特點是電網電流過零時關斷晶閘管，因此不會產生大的關斷損耗，它將被很好地使用到下一個世紀。 快速晶閘管具有短的關斷時間(一般在1050s)，這種器件常用于直流變交流的逆變電路內，并用外部電路使其強迫關斷。隨著gto, gtr和igbt的出現，使快速晶閘管在很大一部分逆變電路內失

16、去了應用。目前它主要用于感應加熱。高q因子的感應加熱線圈需要一個補償電容器來消除電源與負載之間的環流無功功率，因此感應加熱逆變器需要做成高q的諧振負載，這就需要簡單自然換向的快速晶閘管，而高壓領域gto還將占有一席之地。 靜電感應晶閘管(sith)與gto相似是一種“擎住”開關，與gto不同之處它是一種非對稱阻斷的常通型器件，實質上是一個場控二極管，可在門極上加負偏壓來阻斷sith。在硬開關應用中，只需將門極電壓從負變為正即可使sith開通。開通時所需驅動電流相對較低，但關斷時所需驅動電流很大，其關斷電流增益只有13，通態電壓降亦比gto大。由于sith在開通和關斷時是在整個硅片面積內均勻進行

17、，因此它的di/dt承受能力很高，而再加上dvdt能力至少要比gto器件高一個數量極，這此特性大丈降低或消除了因di/dt和dvdt所需的吸收電路。sith的關斷拖尾時間與gto相當，但它的頻率要比gto高得多。目前sith器件已用于高頻感應加熱裝置。制造sith的難點在于其制造工藝方法很難控制，工藝方法的微小變化就可使最終產品的性能發生重大變化，目前正在開發常閉型sith。 gtr是非擎住器件或“線性”器件，是一種電流控制的雙極雙結電力半導體器件。由于它的電流增益差，因此七十年代出現了絕緣型gtr達林頓模塊，以滿足大功率逆變器的應用。圖1-3示出gtr的額定值和發展趨勢。一般達林頓gtr模塊

18、的飽和電壓降為1. 53v,圖1-3電力晶體管的額定值(a)及其發展趨勢(b)存儲時間和電流下降時間的典型值分別為15s。和3s。gtr模塊已廣泛用于電機控制的pwm逆變器、不間斷電源以及開關電源內。由于gtr存在著固有的二次擊穿，且其安全工作區受各項參數影響而變化和熱容量小、過流能力低等問題，目前在開關電源內已逐步被mosfet以及在電機調速和ups內正逐步被igbt所替代。無疑gtr在今后幾年內將繼續存在于現有的設計電路內，但最新設計的電路將采用igbt。 1.2.2 mos結構電力半導體器件由于gtr, gto和sith等雙極型全控器件必須要有較大的控制電流，因而門極控制電路非常龐大，使

19、系統的體積和重量增大并使效率降低，從而促進了新一代具有高輸入阻抗的mos結構電力半導體器件的開發。而這些現代電力半導體器件的制造工藝是借助于原先cmos集成電路的mos工藝，并充分結合電力電子技術而制成的。下面將分別簡要介紹功率mosfet, igbt和mct。圖1-4 (a)示出了功率mosfet的目前水平，圖1-4 (b)示出了mosfet. igbt和mct的發展趨勢及相應的簡略結構圖。圖1-4功率mosfet, igbt的傾定值(a)和功率mosfet, igbt, mct的發展趨勢(b)圖1-5功率mosfet, igbt和mct的簡略結構示意圖(a)功率mosfet (b) igb

20、t (c) mct功率mosfet是一種電壓型高頻多數載流子器件，與gtr不同的是功率mosfet的柵極是電絕緣的，是電壓驅動器件，基本上不要求穩定的驅動電流，驅動電路只需要在器件開通時提供容性充電電流，而關斷時提供放電電流即可，因此驅動很簡單。為了獲得高輸入阻抗的高電壓器件，1980年研制出igbt器件，它是功率mosfet工藝技術基礎上的產物。比較圖1-5功率mosfet與igbt的結構圖可以看出，二者除igbt p+替代mosfet n+外，幾乎完全一樣，這使igbt器件的制造在功率mosfet器件制造的基礎上能很快商業化，但是它們的工作原理完全不同。因igbt的集電極和發射極之間有一個

21、寄生晶閘管，該晶閘管的擎住可使igbt失去控制并損壞，這是學者們長期研究給以解決的問題。igbt兼有mosfet高輸入阻抗、高速特性和gtr大電流密度特性的混合器件。與功率mosfet一樣，它的柵極是絕緣的，驅動功率很小。igbt在600 1800v范圍內的通態電壓降與gtr相似，約為1. 53v，這要比類似額定電壓的功率mosfet的通態電壓降小得多。igbt的開關速度要比功率mosfet的速度低，但要比gtr快，igbt的關斷存儲時間和電流下降時間分別為0. 2 0. 4s和0.21. 5s。igbt較高的工作頻率，寬而穩定的開關安全工作區，較高的效率以及簡單的驅動電路，使igbt在600

22、v以上的開關電源、交流電機控制用的pwm逆變器和ups內成功地逐步替代gtr，而且這種趨勢還將繼續下去。igbt具有正、反向阻斷能力，正向電壓是由p基區/n-漂移區結的反偏承受，而反向電壓是由p+基片/n-漂移區結的反偏承受，但是商用igbt器件由于n-漂移區和p+基片之間存在n緩沖層，所以只有正向阻斷能力。這種穿通結構使器件在直流電路應用中具有良好的導通電壓降和安全工作區特性。將來igbt需要用于交流電路時，就需研究對稱阻斷結構的igbt器件。目前已研制出帶電流檢測端的igbt和智能igbt模塊，這種智能igbt模塊具有集成的驅動電路和保護電路，幾百安、1200v的半橋和三相橋智能igbt模

23、塊已有商品。提高igbt的電壓額定值，研究具有較高頻率和較低損耗的igbt以及開展具有集成保護功能的智能igbt是今后的發展方向。為了提高igbt器件的電壓，目前已用槽溝(trench )技術替代平面(planar)技術，已研制出4500v ,通態電壓降2. 6v，電流密度達到100a/cm的igbt器件，并用雙柵極結構來解決器件的通態電壓降與開關頻率之間的矛盾。mos控制晶閘管(mct)是一種在它的單胞內集成了mosfet的晶閘管，利用mos門來控制晶閘管的開通和關斷。它是一種擎住器件，具有晶閘管的低通態壓降，但其工作電流密度遠高于igbt和gtr。mct的單胞結構保證了集成的mosfet處

24、于完全控制mct芯片的全面積導通和關斷，因此mct的導通di/dt和阻斷dv/dt能力非常高，可分別達到2000a/s和20000v/s，而其工作結溫可達150200。與任何mos門控器件一樣，mct驅動電路功率要求也很小。與其它晶閘管一樣， mct在理論上可以制成千伏的阻斷電壓和幾千赫的開關頻率，且其關斷增益極高，目前已研制出3000v的高壓mct，并有很低的通態電壓。由于晶閘管的再生作用，使之用mos柵來關斷晶閘管電流就非常困難，現在已有幾種辦法來解決此問題，其中較為先進的是mct (mos controlled thyristor)、brt (base resistance contro

25、lled thyristor)、est (emitter switched thyristor)結構。mct和brt結構都具有良好的通態電壓降，在關斷時間為0. 3s時，約為1. 1v左右。但是它們共同缺點是不呈現正偏安全工作區，當用于傳動裝置時就需要吸收電路來保護器件。而且mct結構需采用3次擴散形成結的辦法才能制成器件，從而使制造工藝更復雜。est結構是利用晶閘管電流強迫流過mosfet溝道以達到mos柵的控制目的，這不僅提供mos柵控制關斷能力，而且允許電流在晶閘管的基本結構內飽和。它的正偏安全工作區與igbt器件的差不多，但它的通態電壓降要比mct和brt結構的高，在關斷時間為0. 3

26、us時，約為1. 5v。由于est結構具有良好的正偏安全工作區特性，所以它將是制造mos晶閘管的較好結構。目前75a, 1kv的mct已應用于串聯諧振變流器。現有10多家外國公司竟相開展mct, brt和est結構的研究，以改進其器件的電氣性能。專家們預測，一旦mct的性能和價格達到商用程度，就有可能替代高壓gto，并與igbt在中功率領域形成有限的競爭，而mct最終有可能取勝。1.2.3電力整流管隨著高性能、高頻開關器件和igbt、mct的發展，開發高性能、高頻電力整流管已成為一個非常重要和迫切的任務。眾所周知，電力整流管是電力半導體器件中結構最簡單、用途最廣泛的一種器件。圖1-6(a)和(

27、b)分別為目前常用的幾種電力整流管的水平及其發展趨勢，圖1-6普通、快恢復和肖特基整流管的額定值(a)及其發展趨勢(b)它們相互比較各有其特點：普通整流管具有較小的樓電流，較高的通態電壓降（1.0-1.8）和幾十微秒的反向恢復時間；肖特基整流管具有較低的通態壓降（0.30.6），較大的的樓電流，反向恢復時間幾乎為零；而pin快恢復整流管具有較快的反向恢復時間（幾百ns2s），但其通態壓降很高（1.64.0）。為了滿足快速開關器件應用配套需要，人們利用大規模集成電路工藝和精細的鑲嵌結構，機肖特基整流管和pin整流管的優點于一體，已研制出mps(merged pin/schottky diode)

28、結構的電力整流管，如圖1.7所示。它不僅具有較高的反圖1-7左為pin整流管，右為mps整流管的結構示意圖向阻斷電壓，而且其通態壓降很低，反向恢復時間很短，反向恢復峰值電流很小，而且具有軟的反向恢復特性。mps結構的電力整流管的通態壓降約為1v，反向恢復時間是pin整流管的1/2，反向恢復峰值電流是pin整流管的1/3。若以mps整流管代替pin整流管與igbt配合使用，可使系統的總功耗降低1/2，大大改善了系統的性能。1.2.4功率集成電路（pic）功率集成電路是近幾年發展很快的一種“器件”，它是微電子技術和電力電子技術相結合的產物，其功能是使功率與信息合一，成為機、電的重要接口。由于裝置采

29、用pic，可使裝置內電源部分的體積縮小、重量減輕、寄生的l和c減小、性能改進、可靠性提高、從而使裝置的成本降低。目前，對pic還沒有一個嚴格和確切的定義，一般其電壓大于幾十伏，或電流大于幾百毫安或功率大于1w就稱為pic。pic分為兩類：高壓集成電路（hvic）和智能集成電路（spic）,前者用橫向高壓器件（承受高壓的兩個電機都從芯片的同一表面引出）與起控制作用的傳統邏輯電路或模擬電路繼承，后者是縱向功率器件（管芯背面作主電極，通常是集電極或漏極）與邏輯或模擬控制電路、傳感器以及保護電路等單片繼承。圖1-8示出了pic的電流、電壓范圍及其應用領域。隨著制造pic工藝的成熟，圖1-8 pic電壓

30、、電流范圍及應用領域同一芯片上制造不同元件精度的提高，pic將獲得重大發展，成為未來的重要電力半導體器件。1.3新型半導體材料在電力半導體器件中的應用隨著高頻電力電子技術的發展，要求電力半導體器件具有高的開關速度、低的通態損耗、高的輸入阻抗、高的工作溫度、優良的熱穩定性以及良好的防輻射能力。利用傳統的硅單晶材料已不能很好地滿足上述要求，因此具有較大禁帶寬度、較高載流子遷移率和良好電熱傳導性的碳化硅、砷化鎵和金剛石薄片得到很好的開發。由于sic的制造工藝要比金剛石成熟，它的性能又比gaas高一個數量級，因此制造sic電力半導體器件最有前途，也較現實。目前已研制出25mm的sic基片，實現了sic

31、襯底低缺陷的外延工藝，而且氧化、參雜、半導體金屬接觸腐蝕等工藝方法逐步成熟。已制造出600v sic fet器件，600v sic肖特基勢壘二極管，前者的正向壓降為0.1v，電流密度為100a/cm2，關斷時間0.01s，后者的正向壓降為1v，電流密度100a/cm2,反向恢復時間0.01s，反向恢復峰值電流幾乎為0。它們的功耗隨頻率的增加而增加，50khz內變化很小。目前各國都加強了對這種新型半導體材料制作的研究，由于這些新型半導體材料在制作上還存在著相當難度，因此預計近期內還不可能普遍用于電力半導體器件的制造中。但是這種趨勢必須引起電力電子工程師們的充分注意和重視，積極開展這方面的開發和研

32、究工作。綜合上述各種電力半導體器件的特性、優缺點及其發展趨勢，可以認為igbt、mct以及mps結構的電力整流管是今后最有發展前景的器件。進一步提高igbt和mct的額定電壓、電流和工作頻率，改善mps的軟反向恢復特性以及降低igbt的通態壓降，研制智能igbt模塊，開發低電壓（23v）電源用的并具有低通態壓降和低壓電力整流管將是今后研制工作重點之一。功率mosfet在高頻、的電壓、小功率領域近期內尚無競爭對手，它繼續是一種具有生命力的器件，特別是各種智能功率mosfet的開發成功，更使它的用量增大。隨著高頻電力電子技術的發展，用碳化硅制成的電力電子開關器件和電力整流管，在降低功耗、提高工作頻

33、率中將發揮巨大的作用，因此更進一步開發各種碳化硅電力電子開關器件亦是今后研究工作的重點。gto器件在采用了各種新工藝、新技術和新的結構后，可制成只需的吸收電路的高壓gto,以滿足1500v以上直流電壓和線電壓的要求，因此gto器件在大功率、超高壓領域，特別在牽引領域將繼續發揮的作用。gtr器件器件的前景較為暗淡，低壓（600v）以下的應用將逐步被功率mosfet替代，而600v以上的應用將逐步由igbt代替。大功率晶閘管用量今后將逐年減少，但超高壓（8000v）、大電流(3000a)的晶閘管將繼續在hvdc和靜止無功補償裝置上使用。第二章 電力整流管大多數二極管就是只飽含個pn結的兩端器件，稱

34、為pn結二報管。pn結可以完成不同的功能。本章分析pn結作為整流器的特性。所調整流器，是指一種大面積的功率器件，常稱為功率整流器或功率二極管。典型的功率整流管為pin結構。本章將分析功率整流二極管的正向特性、反向特性、開關特性，并介紹pn結終端技術及表面保護。2.1 電力整流二極管的基本結構和類型2.1.1功率二極管的基本結構實際的二極管，一般就是一個pn結加上電極引線和外殼封裝而成的，稱為pn結二極管。根據pn結的不同摻雜情況和幾何結構而具有不同特性，可以制成不同用途的二極管。例如利用pn結整流特性制成的整流二極管；利用擊穿特性別成的穩壓二極管；利用隧道效應制成的隧道二極管；利用pn結電容效

35、應制成的變容二極管和將pn結作為光源的電致發光二極管，等等。所有這些，其核心都是pn結。對于以pn結為核心的整流二極管，通常定義通過電流大于1a的二極管為功率二極管或功率整梳管。根據器件容量的不同，功率整流管的管芯結構有如下幾種： (1) p+n結構(圖2-1a)(2) pnn結構，中間區域為低摻雜，兩邊為高摻雜的p+和n區，如圖2-1(b)所示。(3) ppnn結構，如圖2-1(c)所示。 (a) (b) (c)圖21功率二極管的管芯結構示意圖以上三種結構中，p+n結構只是理論上的一種結構，不適于制作功率整流管。后兩種是制作功率整流管的兩種基本結構。2.1.2 功率整流管的基本類型報據器件制

36、造和應用的不同特點，功率整流管可以分為五大類1. 硅整流管硅功率整流管一般在普通整流管。當電流大于1a時，稱為功率二極管或功率整流管。器件的電流容量可在11000a以上，電壓從幾十伏到數千伏，工作結溫可達140。這種器件只適合于頻率較低（400hz以下）的電網換相變流器中使用。目前器件最高水平可達2. 快速二極管快速二極管是一種反向恢復時間短，恢復電荷量較少，可以在400hz以上頻率下工作的整流管。通常也稱為快恢復二極管。在快速型二極管中，除普通的（p-n結）快恢復二極管外，還包括功率肖特基勢壘二極管。這種二極管的整流作用是由金屬與硅間形成的接觸勢壘來實現的。它是一種多子器件，正向壓降小，工作

37、頻率高，工作溫度可高達150170，而且熱穩定性好，但反向電壓較低。3. 高溫整流管這種器件的特點是工作結溫可高達175以上，電流也可達到幾十安培，電壓在幾百范圍。4. 高壓整流堆這是一種能顯示整流特性，二反向能承受數萬伏以上的半導體整流堆。它是將整流元件串接封裝在一起而成的。因采用硅二極管串接，常稱為高壓硅堆。5. 雪崩二極管 這是一種具有雪崩擊穿特性，并能在規定時間內承受一定反向浪涌功率二極管。這種器件的穩壓特性可以限制過電壓幅值，流過浪涌電流一消耗過電壓的能量，故可作抑制過電壓元件。器件的電流在5001000a，電壓在10002000v范圍。根據器件容量的不同，功率二極管的管芯結構主要采

38、用p+nn+結構和p+pnn+結構。對于p+nn+結構，中間層為輕摻雜區(常稱為基區)，當摻雜濃度很低時，可近似看作本征半導體，p+nn+結構便可近似為pin結構。此種結構能承受高的反問電壓，且具有良好的正向特性。高壓功率二極管一般都采用此種結構。 對于p+pnn+結構，不僅能提高注入，增強電導調制效應，使器件具有較理想的正向特性；同時在反向又能耐高電壓，所以這是種較理想的大電流向電壓整流管結構。 利用pn結的整流特性，可以把反復變換方向的交流電變成單方向流動的電流，所以在許多電子儀器設備和電力電子裝置中都大量使用各種類型的功率二極管。在實際工作中，通常利用示波器來直接顯示二極管的伏女特性。一

39、個性能優良的功率二極管，應該是正向電流盡量大，特性曲線盡量靠近縱坐標，使正向壓降為最小；反向特性應是漏電流要小，反向擊穿電壓向，而且特性曲線直，具有所謂的硬特性。后面將困繞這些要求進行討論。2.2 pn結二極管盡管功率二極管的結構有所不同，但整流特性仍然主要由p-n結特性所確定。為此，本節扼要闡述p-n結的整流特性，作為分析p-n結器件的基礎。2.2.1整流方程1. 小注入下的整流方程對于p+-n突變結，當n區處于小注入狀態時，按照連續原理，可得p-n結的電流電壓方程為 (2-1) 當外加電壓為正向電壓vf時，且vfkt/q時，(2-1)式可以寫為 (2-2)當外加電壓為反向電壓vr時，且時，

40、(2-1)式變為 (2-3)(2-1)式為p-n結的反向電流，又稱為反向擴散電流，流過p-n結的反向電流不僅有反向擴散電流，還存在p-n結產生電流，產生電流可以表示為 (2-4)因此p-n結的反向電流為 (2-5) 2. 大注入下的伏安特性對于p+-n結，當正向電壓增高，注入增大后，注入到n區的非平衡載流子等于甚至大于該區的平衡載流子濃度，達到大注入水平。對于功率二極管（包括其它電力器件）在穩定工作條件子下，其電流密度可以達到30100a/cm2，甚至更高。在這樣高的正向電流密度下，對反向耐壓較高的器件（n區的摻雜濃度較低）來說，完全處于大注入狀態下工作。大注入下，載流子之間的散射變得顯著，并

41、導致遷移率下降。遷移率和擴散系數隨載流子濃度增加而下降，使得在大注入時功率二極管、晶閘管的正向壓降增大。大注入條件下的自建電場，將使p-n結的伏安特性發生變化，其表達式為 (2-6)大注入不但使擴散系數加倍，而且使電流隨電壓的上升變慢，由小注入的關系變為關系。2.3 pin二極管pin二極管是由p型和n型材料之間夾一本征層而構成的結型二極管。在低頻時，它具有與pn結相似的伏安特性，不僅能承受很高的反向電壓，而且具有小的正向電壓降。理想的pin二極管i層材料應是本征型的，但是很難做到。實際的i層可近似認為低摻雜的高阻層。因此，功率二極管都做成重摻雜的p+、n+層之間夾一層較厚的低摻雜的p型或n型

42、層而構成：p+-n-n+或p+-p-n+結構。這種結構在分析晶閘管正向壓降的模型，所以本節著重分析pin二極管的正向壓降。2.3.1 pin二極管的一般理論所謂pin二極管是由重摻雜的p型區和n型區之間夾一接近本征型的高電阻率i層構成，其一般結構，其一般結構如圖22所示。i層厚度由反向耐壓和正向電流決定。在熱平衡時的能帶圖、載流子分布、空間電荷及電場分布22所示。圖22 pin二極管 的結構、能帶、載流子分布空間電荷機電場分布與p-n結類似，在pi結和ni結也會形成空間電荷區。因此i層可分為三個區域：（1）x2到x3之間的正電荷區；（2）x3到x4的中性區；（3）x4到x5之間的負電荷區。中性

43、i區相當一個長為（x4-x3）的電阻。因而pin二極管好似一個pi二極管和一個電阻及一個ni二極管三者的串聯組合。pin二極管的正向壓降可視為三步分組成：pi結和ni結的結壓降以及i區的體壓降。設外加正向壓降為vf則 (2-7)下面首先對體壓降作簡化的分析，然后再做精確的分析討論。如圖22所示的pin二極管中，如果假定兩個端部的注入效率為1，即認為在兩個端部（p+區和n+）不存在少數載流子流的流動，那么正向電流只是由空穴和電子在基區的復合而引起的。根據空穴和電子在i區復合的速率便可計算正向電流，因為 （28）式中，基區寬度wi=2d，u為大電流下給出的復合率u(x)=n(x)/a。假定注入空穴

44、的平均濃度（）和注入電子的平均濃度（）相等，且遠大于本征的載流子濃度ni。將式（28）積分得到 （29）式中，a為雙極壽命。如果進一步假定整個i區的載流子濃度是均勻分布的，那么可以忽略載流子的擴散作用，于是由平均電場e引起的電流密度便可以寫成 (2-10)因為跨越在i區兩端的電壓降可以表示為vm=2de，聯立（29）和（210）得到 （211）盡管這是一個簡化的表達式，但它指出了pin二極管正向壓降與雙極壽命成反比，而正比于基區寬度的平方的重要結論，反映出實際器件壓降的一般趨勢。2.3.2 pin二極管的正向特性下面敘述比較完整的pin二極管理論。圖23示出了這種器件的結構，i區的寬度取為2d

45、，假定pi結、ni結的注入效率為1.1. 基區體壓降大注入或中注入下，pin二極管伏安特性方程的推導很繁雜，公式及其陳長。它的基本思路是首先找出各區載流子所遵從的運動方程，根據邊界條件求解電子、空穴濃度的分布；然后再由電流密度方程求得電場強度和電流密度j；然后對e積分得到正向體壓降vm。為了求得i區內載流子濃度的分布，必須求解連續性方程。因i區工作在大注入狀態，該區內穩態雙極連續性方程可表示為 （212）圖23 pin二極管正向導通時的載流子及電位分布式中da為雙極擴散系數，因此雙極擴散長度為la=（daa）1/2，于是上式變為 （213）此式為雙極擴散方程，其一般解為 （214）常數a1、a

46、2邊界條件確定。按照兩邊結注入效率為1的假定，邊界條件為 （215）另一方面，在x=+d處的電子電流密度為 （216）其中電場由載流子濃度確定 （217）將式（217）代入（216）中得 （218）類似地分析可得 (2-19)上述推導利用了電中性條件n(x)=p(x)。將邊界條件式（218）和（219）代入（214），并考慮到dn(x)/dx=dp(x)/dx及jf=jp(-d)=jn(+d)，即可求出常數a1和a2得表達式。然后再代入（214）中，便可解出i區得電子濃度分布（空穴具有相同得分布） （220）式中，（b=n/p） （221）根據假設，正向電流jf是由i區空穴和電子復合而引起的，

47、故。由式（220）確定i區中載流子分布，如圖23所示。空穴和電子濃度再pi（-d）結及ni（+d）結處最高，由于空穴和電子的遷移率不同，（np，故b=1/2）,其濃度最低點偏向陰極側。若假定np，b=0，載流子分布是對稱的，其最低點再中央處。隨著離開結的據距離的增加，載流子的濃度的下降取決于雙極擴散長度la，而擴散長度是由大注入壽命a所控制。為了確定i區的電壓降vm，首先必須知道電場的分布。在i區中，電流與電場的關系由下列關系式確定， （222）及 （223）和 （224）聯立以上三式并考慮到n(x)=p(x)得到 （225） 在（225）中，右邊第一項為歐姆電壓降產生的電場分量，第二項是電子

48、和空穴遷移率不等產生的濃度分布不對稱形成的電場分量。采用（220）的濃度分布，將（225）在i區內積分得到該區體壓降vm，即 （226） 該方程的曲線如圖24所示。可以看出，歐姆電壓降隨d/la的增加而迅速增大。當圖24 vm與d/la的關系dla時，即la比i區的半寬度大時，稱為“短”結構pin二極管。載流子濃度在i區上的空間變化（損失較小）對壓降影響可以忽略。對于硅，b=n/p=3，式（226）可簡化為 （227）對于d3la的情況，則與上述相反，稱為“長”結構二極管，此時式（226）可簡化為 （228）遷移率相等時，b=1和b0，（226）變為 （229）此種情況下，對于“短”結構二極管

49、（dla），上式又可簡化為 （230）由(226)及其各種簡化表達式可知，i區體壓降vm與通過的電流無關。這是因為電流時由平均載流子所運載，它與電流密度成正比。隨著正向電流密度的增加，i區的電導率亦成比例地增加，從而使該區的電壓降保持常值。i區中的這種電導調制作用，使得pin二極管中間的電阻率盡管很高，以承受很高的反向電壓，但在正向仍能流過大的電流，并具有較低的正向壓降。正因為如此，pin二極管是一種高壓大功率器件。1. pin二極管的正向壓降由圖23可知，在不考慮接觸壓降時，pin二極管的正向壓降除了基區體壓降vm之外，還包括陽極結（pi）和陰極結（in）的結壓降，這兩者可以根據結電壓與注入

50、少數載流子濃度的關系求出。因為 (2-31) (2-32)式中nd為i（n）區的摻雜濃度，聯立式（231）和（232），以及大注入條件下，p(-d)=n(-d)，得到 （233）由（27）式得到二極管的正向壓降 (2-34)利用式（220）求出載流子濃度n(-d)、n(+d)，代入上式即可得到正向壓降 (2-35)式中體壓降vm由（226）式求得。若將（235）式進行一些變化，即可得到二極管正向電流jf的表達式： (2-36)式中 （237） 由式（236）看到，pin二極管的正向電流jf與大注入p+n結的正向電流的表達式類似，只是增加了與結構因子d/la有關的系數函數f(d/la)。二函數f

51、(d/la)與電流沒有直接關系，它與d/la間的函數關系如圖25所示。由圖25可知，函數f(d/la)在d/la1時顯示圖25 函數f(d/la)對d/la的依賴關系出極大值，表明在此點上的正向壓降達到了最小值。實驗表明，二極管的正向壓降隨著壽命的增加二迅速減小，直到d/la1為止。而對于更長的壽命，正向壓降繼續下降得很少，或者保持不變。因為，假定沒有端區的復合作用，由于載流子在兩端pn結邊緣處的聚集而引起結壓降增大，最終能迫使由于壽命增長而引起的基區體壓降下降。然而由于端區的復合作用，載流子的聚集作用被抑制，因而壓降隨著壽命的增長會繼續下降。另一方面載流子之間的散射，餓歇復合及注入效率的變化

52、，又直接影響對i區注入載流子的電導調制作用，使正向壓降增加。因此，當壽命增大到某個值以上再進一步增大時，它對電壓降只有很小的影響了。而這個壽命的準確值是基區和端區性質的函數。2. pin二極管正向壓降的討論載流子載流子之間散射，俄歇復合以及注入效率都會影響二極管的正向壓降，下面進行扼要分析。1) 載流子之間散射對壓降的影響器件工作再大注入狀態時，基區充塞著大量的電子和空穴，當載流子濃度為1017cm-2以上時，壓降就變得與載流子濃度有很大依賴關系，這種依賴關系是由于載流子間的散射引起的強相互作用而造成的。同類電荷粒子之間的散射對電導率的凈影響不大，可以忽略。不同電荷類型載流子之間的散射，會導致遷移率下降，意味著電阻率增加，壓降增大；另一方面，擴散系數也隨之下降，在壽命不變的情況下（），相應地（d/la）增大，從而造成體壓降vm隨之增加。高電流密度時，考慮散射作用的vf約為不考慮散射作用時值的25倍，這就大大地降低了器件承受正向浪涌電流的能力。2) 俄歇復合效應在很高的電流密度下，少子壽命主要由俄歇復合壽命所支配，這時，有效壽命可表示為 (2-38)式中，a=po+no ，a=3n3。實驗已證實，當注入載流子濃度超過1017cm