功率半导体器件课件.ppt

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1、功率半导体器件第一章绪论1.1理想的和典型的开关波形理想的功率器件需要具有无损耗地控制功率流向负载的能力总耗散功率：低频工作区：开态损耗占主导，低开态压降的功率开关器件是追求目标高频工作区：开关损耗占主导，高开关速度和低的转换时间是追求目标实际需要对低开态压降和低开关损耗进行折衷1.2理想的和典型的功率器件特性正向:具有传导任意大电流而开态压降为0的能力；反向阻断模式:具有承受任意大电压而漏电流为0的能力；具有为0的开态-关态转换时间.1.3单极性功率器件正向电压低，开关速度快；反向阻断电压低电压型控制型器件，驱动电路简单；窄导电沟道，通态电阻随漂移区长度急剧增大，限制了

2、阻断电压(<200V)1.4双极性功率器件高浓度的载流子注入降低了器件的通态电阻(电导率调制)；关断时需要移除这些高浓度的载流子，导致大的关断损耗1.5MOS-双极功率器件较易的电压控制、很强的电流处理能力和良好的高频性能1.6双极性器件的理想漂移区比电阻：最大耗尽层宽度：最大耗尽层宽度：：BFOM(Baliga‘sfigureofmerit,Baliga优值)1.7用于制备功率器件的半导体材料优值1.8课程内容及考核P-i-n整流器件，双极功率器件，功率MOSFET，晶闸管类器件，双极-MOS功率器件学时32：周二（1~16周）考核方式：平时60%+随堂测试40%第二章

3、p-i-n二极管应用:整流器额定电流:1A到几百安培反向阻断电压:几十伏特到几千伏特设计目标:高反向阻断电压、低正向压降、开关态间快的转换速度2.1器件性能一维分析开态电流传输机制1.电流非常低时,P–N结的空间电荷区的复合过程是电流主要传输机制2.电流比较低时,少子通过扩散注入漂移区是电流主要传输机制3.高注入条件下,漂移区充满大量过剩电子和空穴，电导率调制成为主要机制高注入电流高注入条件下，电中性条件要求漂移区电子和空穴浓度相等:在N-漂移区中运用连续性方程:Dn,Dp:电子和空穴的扩散系数:高注入条件下漂移区载流子寿命(2.2)(2.2)(2.1)方程(2.2)X(

4、)，(2.3)X()得到稳态条件下(2.4)应该为(2.4)(2.5)上式中利用了双极扩散系数：(2.6)在N/N+阴极处(x=+d),电流主要由电子承载，采用100%电子效率假设，可得到:同样道理，在N/P+阳极处(x=−d),电流主要由空穴承载:(2.7)(2.8)(2.9)(2.10)利用(2.8),空穴电流为方程(2.7)中总电子电流在该处的值为同样可得到空穴电流(2.11)(2.12)(2.13)(2.14)(2.15)最后，可以得到漂移区载流子浓度与注入电流的关系(2.16)下面来计算漂移区电场，漂移区任意处电子电流和空穴电流分别为：稳态条件下，总电流是电子和

5、空穴电流之和且为常数：(2.17)(2.18)(2.19)(2.20)对(2.20)式电厂分布求积分，可以获得漂移区电压降(2.22)(2.23)(2.21)电导率调制效应：与J无关开态压降开态压降(正向压降)是三项之和:减小正向压降，需要控制d/La的大小，即减小漂移区长度d或增大扩散长度La；La与载流子寿命的平方根成正比，所以需要漂移区保持尽可能低的掺杂浓度(2.24)(2.25)反向阻断电压反向阻断电压要小于击穿电压，而击穿电压主要有低掺杂去所决定。半导体材料决定了最大击穿电场EC，对于单边突变结:提高要击穿电压(反向阻断电压)的措施：1.漂移区足够厚(d),以使

6、在反偏时能够建立起足够宽的耗尽层，这与降低正向压降有冲突，需要折衷考虑2.使用低掺杂浓度和高电阻率晶圆，在生产中严格控制化学试剂的质量3.使用具有高击穿电场的材料，如SiC，GaN2.2动态特性正向导通过程开通过程中存在电压过冲现象：载流子注入p+-i和n+-i结区，然后扩散进入低掺杂i区，当电流变化很快时，载流子来不及通过扩散在中间区域建立起电导调制，从而递增的电流引起递增的电压降落在中间区域反向过程在第1阶段结束时，二极管中任然充满了过剩载流子；在第2阶段，反向增大的电流不断抽走结区的过剩载流子，直至过剩载流子浓度下降到与热平衡时的值，空间电荷区开始建立；其它区域的过

7、剩载流子导致反向电流继续增大到最大值，然后随着残余载流子的扩散和复合而衰减，随后反向电压升至其稳定值第三章双极结型功率晶体管基本特性关态阻断电压高电压和大电流特性动态特性3.1双极晶体管的结构及基本特性除了N+发射极和P基区外，功率BJT具有一个宽的掺杂浓度极低的集电极漂移区用于承受高的阻断电压电流增益共射极电流增益：共基极电流增益：共射与共基极电流增益：基区输运系数：共射电流增益：阻断电压发射极开路时的击穿电压：BVCBO基射极开路时的击穿电压：BVCEO集电极电流：击穿条件：由于所以3.2开通状态大电流状态，除了BJT的三