[信息与通信]晶体管讲座第3章.ppt

第3章 电力半导体器件 n§3.1概述n§3.2功率二极管n§3.3功率晶体管GTRn§3.4晶闸管n§3.5静电感应器件n§3.6功率场效应晶体管n§3.7绝缘栅晶体管n§3.8 MOS场控晶闸管（MCT）返回§3.1概述n1956年美国贝尔公司发明了PNPN可触发晶体管，1957年 通用电器（GE）进行了商业化开发，并命名为晶体闸流 管，简称为晶闸管（thyristor）或可控硅（silicon controlled rectifier—SCR）n由于晶闸管类器件基本上是换流型器件，其工作频率又比 较低，由其组成的频率变换装置在电网侧谐波成分高，功 率因素低n70年代大功率晶体管（三极管）已进入工业应用阶段，它 被广泛应用于数百千瓦以下的功率电路中，功率晶体管工 作频率比晶闸管大大提高，达林顿功率晶体管可在10KHZ 以下工作,非达林顿功率晶体管可达20KHz，出现了所谓 “20KHz”革命，其缺点在于存在二次击穿和不易并联以及 开关频率仍然偏低等问题，使其使用受到了限制n70年代后期，功率场效应管（POWER MOSFET ）开始进入实用阶段，这标志着电力半导体器件 进入高频化阶段。

在80年代又研制了电流垂直流 动结构器件（VDMOS），它具有工作频率高（可 达兆HZ），开关损耗小，安全工作区宽，几乎不 存在二次击穿，输入阻抗高，易并联（漏源电阻 为正温度特性）的特点，是目前高频化的主要器 件，尽管VDMOS器件的开关频率高，但导通电阻 大这一缺点限制了它在高频大中功率领域应用n绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulated gate bipolar transistor）IGBT于1982年在美研制成功，1985 年投入市场,为场控器件，其工作频率超过20KHz n80年代另一重要的发展是智能化功率集成电路 (SMART POWER IC)的研制成功，它们是在制造 过程中，将功率电子电路和信息电子电路一起集 成在一个芯片上或是封装在一个模块内产生的， 具有信号测试及处理、系统保护及故障诊断等功 能，它们实际上是一种微型化的功率变换装置n随着科学技术的发展及功率集成制造技术 的日趋完善，电力电子技术具有广阔的发 展前景本章将详细介绍快恢复二极管、 晶闸管（SCR）、双极型晶体管、功率场效 应晶体管（MOSFET）、和绝缘栅双极型晶 体管（IGBT）的性能、参数、工作原理及 驱动技术。

返回§3.2功率二极管nP型半导体和N型半导体是两种导电类型的半导体材 料，通过某种工艺方法将两种半导体结合在一起，则 在交界面处型成PN结图3-1 PN结、二极管符号和二极管伏安特性 1、PN结零偏置nP型半导体多子为空穴，N型半导体多子为电 子，当PN结零偏时，P型半导体和N型半导体 交界处多子相互扩散，即P型半导体中空穴向 N型半导体扩散，N型半导体中电子向P型半导 体扩散，在P型半导体侧形成负电荷，在N型 侧形成正电荷，电场方向如图3-2 (a)所示，该 电场方向阻碍多子扩散，当两者平衡时空间电 荷区达到了一定宽度，由于多子扩散运动和少 子漂移运动相等，总体上看没有电流形成n 图3-2 2、PN结正向偏置n外电场削弱了PN结内部空间电荷区形成的内电场 ，打破了多子扩散和少子漂移的平衡，这时P区的 空穴不断涌入N区，N区的电子也不断涌入P区， 各自成为对方区中的少数载流子，电场方向如图 3-2(b)所示n当PN结流过正向大电流时，注入基区的空穴浓度 大大超过原始N型基片的多子浓度，为了维持半 导体电中性的条件，多子浓度也要相应的大幅度 增加，即在注入大电流条件下原始N型基片的电 阻率大大下降，也就是说电导率大大地增加，这 种现象称为基区电导调制效应。

n3、PN结反偏n外电场加强了内部电场，从而强烈地阻止 结多子扩散，但该电场使漂移加强，这种 漂移形成PN结漏电流，由于少子浓度很低 ，所以该漂移电流很小，且随反偏电压V增 大而增大，但变化很小，因此反偏PN结相 当于“断态”或“高阻状态”随着反偏增大， 其内电场加强，空间电荷区加宽，当增大 到使结雪崩击穿强度时，反向漏电流急剧 增大结会因损耗急剧增大而损坏，所以结 上反向电压受雪崩击穿电压的限制4、PN结特点：nPN结通过正向大电流时压降只有1V左 右，即双极型器件通态压降较小，空 间电荷区的雪崩击穿电场强度决定了 结承受反向电压的大小，击穿前反向 漏电流很小，一旦击穿反向漏电流急 剧增加结正偏时呈现低阻状态，反 偏时呈现高阻状态，即PN结具有单向 导电特性5、PN结动态工作过程n1）二极管D从导通转向关断过程n所有的PN结二极管，在传导正向电流时，都 以少子形式存储电荷但是，当二极管反向时 ，在二极管处于“断态”前存储的电荷必须全部 抽出或必须被中和掉发生这一过程所花费的 时间定义为反向恢复时间，即反向恢复时间为 清除这些少数载流子达到稳态值所需的时间n当PN结正向导通时，PN结突然加一反偏电压 ，反偏时高阻状态（反向阻断能力）的恢复需 要经过一段时间。

在未恢复反偏高阻状态之前 ，二极管相当于短路状态，这是一个很重要的 特性n 图3-3 二极管电 流、电压波形 定义n在反偏电场作用下，正向电流逐步减小到 零，由于PN结正向导通时在P型半导体内存 储了许多电子，在N型半导体内存储了许多 空穴，除了一部分少数载流子被复合掉外 ，其余少数载流子在反偏电场作用下，形 成反向电流，当靠近结附近的多余少数载 流子离开了空间电荷区，电流开始减小， 空间电荷区电场加宽，为PN结恢复反偏时 高阻状态（反向阻断能力）创造条件n恢复时间由两个不同的时间区间（ta，tb）组成 ta被称为存储时间， tb 被称为渡越时间n反向恢复时间trr（耗尽存储电荷所需的总时间） 定义为：ntrr通常作为器件开关速度的度量，并用来决定器 件是否适合于某一规定的应用nta为二极管反向电流从零上升到峰值所需的时间， tb为二极管反向电流从峰值降到1/4峰值电流所需 的时间由于在tb期间二极管承受高电压的同时也 承受大电流，所以二极管内将有显著的功率损耗 n反向恢复电荷 ：定义为 期间电流—时间曲线包 围的面积该指标反映了反向恢复损耗的大小 n2）二极管导通特性n当PN结从反偏转向正向导通 时，PN结的通态压降并不立 即达到其静态伏安特性所对 应的稳态压降值，而需经过 一段正向恢复时期，在这期 间，正向动态峰值压降可以 达到数伏至数十伏。

图给出 了PN结正向导通时的动态波 形图3-4 二极管导通特性6、二极管主要参数n二极管主要参数有：n额定平均电流；稳态平均电压；反向重复峰值电 压；反向恢复时间；反向恢复电荷量等在反向 恢复电流特性中，峰值反向电流是一个重要的参 数，此外反向电流的波形衰减斜率也是一个重要 参数在电路中、在具有引线电感的PN结中，会 引起电压尖刺，变化率越高（所谓硬恢复或强迫 关断），则二极管和功率开关上叠加的电压尖刺 越大，因此反向电流缓慢衰减的特性（软恢复） 才是人们希望的特性7、二极管类型n除一般类型的整流二极管外，还有：n1）快恢复二极管n快恢复二极管具有较短的恢复时间（200ns～2us），但通 态压降较高,快恢复二极管常用于高频电路的整流或钳位n2）肖特基整流二极管n肖特基二极管是用金属沉积在N型硅的薄外延层上，利用 金属和半导体之间接触势垒获得单向导电作用，接触势垒 相似于PN结它导通时，不存在象双极型整流二极管那 样的正反向恢复过程，恢复时间仅是势垒电容的充放电时 间，故其反向恢复时间远小于相同额定值的结型二极管 肖特基整流二极管通态压降较普通整流二极管通态压降低 ，且它的反向恢复时间仅为几十纳秒，常用于低压高频整 流。

当肖特基整流管设计的电压超过100V，它导通时少子 导电开始占主导地位，这时同普通整流二极管一样存在着 恢复过程肖特基整流二极管的反向恢复峰值电压最大值 一般为100V，额定电流从1A到300A返回§3.3功率晶体管GTRn1、晶体管工作三种状态n晶体管（transistor）由三层半导体组成（构成 两个PN结），有PNP和NPN两种，从三块半导 体上各自接出一根引线就是三极管的三个电极 ， B为基极，C为集电极，E为发射极，符号和 结构如图3-5所示虽然发射区和集电区都是N 型半导体（对NPN而言），但是发射区的N型 半导体比集电区的N型半导体掺的杂质多，因 此它们并不对称晶体管可以工作在三种状态 ，即放大状态、饱和状态和截止状态在现代 电力电子技术中，晶体管只作为开关使用，工 作于截止和饱和两种状态n 图3-5 晶 体管符 号和结 构1）放大状态n无论是共基极接法还是共射极接法，只要集电结反偏电 压达到一定值、发射结正偏，就工作于放大状态 2）饱和状态n工作于饱和状态时集电结、发射结均正向偏置以共射 极接法为例，随着基极电流增加，负载上电压增加，而 电源电压不变，因此集电结反偏电压必须下降。

当负载 上电压增加到集电结反偏电压为零时，晶体管进入临界 饱和状态，基极电流再增加时，晶体管的饱和加深，晶 体管进入饱和时，集电极电流就不再明显增加了饱和 状态时发射结和集电结都正偏置，饱和压降很小 3）截止状态n工作于截止状态时，即发射结正向偏置电压为零或反偏 n图3-6为NPN晶体管共射极接法的输出特性图3-6 NPN晶体管共射极接法的输出特性2、功率晶体管GTR的特点 习惯上将耗散功率大于1W的晶体管称为功率晶体管，简 称GTR（Giant Transistor）由于GTR在大耗散功率下工 作，当工作电流和工作电压变化时会导致管子的温度急剧 变化，这样又引起管子的工作状态急剧变化，还会在管子 内部产生大的机械引力，引起GTR损坏因此，GTR应有 下列性能要求或参数：n 具有高的极限工作温度；n 小的热阻；n 小的饱和导通压降或饱和电阻；n 工作稳定可靠；n 大电流容量；n 高耐压；n 快的开关速度3、 GTR开关特性 nGTR主要应用于开关工作方式，采用一定的正向基极电 流去驱动GTR导通，采用一定的反向基极电流去关断 GTR。

由于GTR不是理想开关而是真实的器件，因此在 开关过程中存在着延迟时间和存储时间，如图3-7所示n在t0时刻加一个正激励脉冲，GTR经过延迟和上升阶段 才进入饱和区，定义开通时间为：n式中：td为延迟时间，tr为上升时间n在t3时刻反向信号加到基极，GTR经过存储和下降时间 才返回到截止区，定义关断时间为：n式中：ts为存储时间， tf为下降时间n 图3-7 GTR开 关响应 特性延迟时间是因为基极电流向发射结势垒电延迟时间是因为基极电流向发射结势垒电 容充电引起的；容充电引起的； 上升时间是由于基区电荷储存需要一定时上升时间是由于基区电荷储存需要一定时 间而造成的；间而造成的； 存储时间是撤出基区储存的电荷过程而引存储时间是撤出基区储存的电荷过程而引 起的；起的； 下降时间是发射结和集电结势垒电容放电下降时间是发射结和集电结势垒电容放电 的结果n在应用中，增大基极电流，使充电加快， 、 都可以缩小，但不宜过大，否则将增 大储存时间因此在基极电路中采用加速 电容是解决这一问题的一种办法为了加 速GTR关断，缩短关断时间 ，基极驱动 电路必须提供具有一定幅值的反向驱动电 流，即加反向基极电压有助于加快电容上 电荷的释放，从而减小 和 。

但基极反 向电压不能过大，否则会将发射结击穿， 还会增大延迟时间右图是GTR的理想驱 动波形，IB1’是正向过充驱动电流，加速 GTR导通， 维持GTR处于临界饱和状态 ；关断时初始 是负值过冲量，可缩短关 断时间，防止二次击穿在应用中，一般 在基极驱动电阻 上并联电容器来实现理想 驱动图3-8 GT。