2026/1/271§1-1電力半導(dǎo)體器件的歸屬關(guān)系電子技術(shù)電力電子技術(shù)信息電子技術(shù)模擬電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)電力電子器件電力電子變流技術(shù)信息檢出、傳送和處理；多用低電平電路，對(duì)效率要求低(<15%)電力傳送、變換、控制或開關(guān)；對(duì)效率要求較高(>85%)不考慮轉(zhuǎn)換效率和散熱等問(wèn)題須優(yōu)先考慮轉(zhuǎn)換效率和散熱等問(wèn)題電力電子學(xué)微電子學(xué)電子學(xué)PowerElectronicDeviceorPowerSemiconductorDevice微電子學(xué)與固體電子學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)信息半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)2026/1/27是電子產(chǎn)品的大腦和神經(jīng)，負(fù)責(zé)感知、運(yùn)算、操縱等，實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)功能功率半導(dǎo)體是電子產(chǎn)品的心臟和血脈，負(fù)責(zé)給每一個(gè)用電終端輸送合適的電能信息半導(dǎo)體電腦、手機(jī)里的傳感器、攝像頭這類的功能終端一切涉及發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、儲(chǔ)電的設(shè)備都離不開電力/功率半導(dǎo)體器件

區(qū)別22026/1/27其它半導(dǎo)體元器件，如傳感器可看成是馬的眼睛?鼻子?耳朵功率半導(dǎo)體器件可看成是馬的肌肉CPU可看成馬的大腦1馬力相當(dāng)于一匹馬把75kg物體在1s內(nèi)提升1米高度所做的功，即1PS=735W。馬力（horsepower），俗稱匹；功率單位是瓦特（W）/馬力（PS）3功率=額定電壓×額定電流電力變換裝置2026/1/274①電力半導(dǎo)體器件技術(shù)是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，理論基礎(chǔ)是半導(dǎo)體物理。②電力電子變流技術(shù)

用電力半導(dǎo)體器件構(gòu)成電力變換電路和對(duì)其進(jìn)行控制的技術(shù)，及構(gòu)成電力電子裝置和系統(tǒng)的技術(shù)。是電力電子技術(shù)的核心，理論基礎(chǔ)是電路理論。

電力——交流和直流兩種從公用電網(wǎng)直接得到的是交流；從蓄電池和干電池得到的是直流。（變換、輸送、處理）1電力電子技術(shù)電力變換類型

電力電子器件研究如何將電網(wǎng)的交流電變換為直流或交流輸出。粗電

精電2026/1/27電力變換裝置功能框圖通用變頻器常用的AC-DC-AC電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2026/1/276電子器件、電路電力靜止、旋轉(zhuǎn)裝置連續(xù)、離散控制電力電子學(xué)2電力電子學(xué)整流、逆變、斬波、變頻等基本電路及控制、保護(hù)、濾波電路等直流穩(wěn)壓、UPS、加熱、焊接電源，太陽(yáng)能、燃料電池電源等電動(dòng)機(jī)的變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制理論、方式、手段基礎(chǔ)接口紐帶電力電子學(xué)是以電力電子技術(shù)為研究對(duì)象的電子學(xué)，是介于電子、電力與控制之間的邊緣學(xué)科。1974年美國(guó)的W.Newell用倒三角形對(duì)電力電子學(xué)進(jìn)行了描述。各種電力半導(dǎo)體器件電力電子學(xué)覆蓋了材料、器件、CAD、制造、封裝、電路與控制、磁學(xué)、熱學(xué)、電力及電工應(yīng)用等，已發(fā)展成為多學(xué)科相互滲透的綜合性技術(shù)學(xué)科。由三大學(xué)科構(gòu)成2026/1/277電力電子器件/主開關(guān)器件控制電路檢測(cè)電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路V1V2保護(hù)電路

電力半導(dǎo)體器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制部分3.電力電子系統(tǒng)由以電力半導(dǎo)體器件為核心的主電路與其驅(qū)動(dòng)電路及控制電路組成保證電力電子器件和整個(gè)系統(tǒng)正?？煽康倪\(yùn)行電子器件檢測(cè)主電路或應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)需電氣隔離，通過(guò)光、磁等手段來(lái)傳遞信號(hào)給主開關(guān)器件提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)2026/1/278半導(dǎo)體分立器件的分類（按IEC標(biāo)準(zhǔn)）電力半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件信息半導(dǎo)體器件主要功能：用作實(shí)現(xiàn)電力的變換、調(diào)節(jié)或開關(guān)的執(zhí)行器件。特點(diǎn)：高電壓，大電流，大功率，工作結(jié)溫高，工作頻率低。主要功能：用于信號(hào)控制。特點(diǎn)：低電壓，小電流，小功率，工作結(jié)溫低，工作頻率高。電力電子器件/功率半導(dǎo)體器件

微電子器件/電子器件I>5AU>100V

P>10WI<5AU<100V

P<10W2026/1/279新角色:節(jié)約資源；開發(fā)新能源（光伏、潮汐、風(fēng)能）；電力環(huán)境的治理(電能質(zhì)量\穩(wěn)定性\可控制性\輸送能力)；節(jié)能降耗、環(huán)境保護(hù)。傳統(tǒng)角色:電能的高效率變換；為計(jì)算機(jī)、通訊、自動(dòng)化裝置、儀表、工業(yè)裝置提供高質(zhì)量交流或直流電源；運(yùn)動(dòng)的高效率、精密、快速的控制,滿足工業(yè)過(guò)程要求。電力電子技術(shù)的應(yīng)用2026/1/2710根據(jù)Baliga教授引用的數(shù)據(jù)，1990年至2010年20年時(shí)間內(nèi)，如果50%的電機(jī)采用IGBT調(diào)速控制技術(shù)，全球累計(jì)節(jié)41.9萬(wàn)億度電。同時(shí)可減少46.1萬(wàn)億磅的二氧化碳排放。粗電精電2020:100%雙碳目標(biāo)：2030年碳達(dá)峰，2060年碳中和。大力發(fā)展電力半導(dǎo)體器件

電力電子技術(shù)與節(jié)能減排不僅可以改善電能質(zhì)量，而且可以節(jié)能30%，相當(dāng)于840發(fā)電廠。2026/1/27Prof.

B.Jayant

Baliga陳星弼院士（1931-2019）地球上碳足跡最小的人（manwiththesmallestcarbonfootprintonearth）著作18本參編20本美國(guó)專利120項(xiàng)IGBT發(fā)明者中國(guó)功率器件領(lǐng)路人超結(jié)(SuperJunction)

發(fā)明者著作7部；學(xué)術(shù)論文200余篇;中美等國(guó)專利40余項(xiàng)打破傳統(tǒng)“硅極限”，被國(guó)際學(xué)術(shù)界譽(yù)為“高壓功率器件新的里程碑”功率半導(dǎo)體器件先驅(qū)者2026/1/27數(shù)控機(jī)床冶金工業(yè)軋鋼機(jī)電解鋁可控整流電源或直流斬波電源1）一般工業(yè)直流電動(dòng)機(jī)可控整流電源交流電動(dòng)機(jī)電鍍裝置12UPS電源電力電子技術(shù)應(yīng)用2026/1/27132)交通運(yùn)輸海、陸、空交通運(yùn)輸工具磁懸浮列車2026/1/27143)電力系統(tǒng)靜止無(wú)功補(bǔ)償SVC高壓直流裝置HVDC柔性交流輸電FACTS柔性直流輸電系統(tǒng)中換流閥2026/1/27154)電子裝置用電源程控交換機(jī)電子裝置計(jì)算機(jī)打印機(jī)2026/1/27165)家用電器功率半導(dǎo)體器件的每一次升級(jí)，都使變頻家電在體積?成本?可靠性?能效?噪聲等方面獲得巨大進(jìn)步。2026/1/27風(fēng)能太陽(yáng)能6)新能源開發(fā)潮汐能氫能2026/1/2718交流電力傳動(dòng)機(jī)車6)新能源車電動(dòng)汽車氫能源車（氫

電驅(qū)）電動(dòng)高速機(jī)車2026/1/2719電力半導(dǎo)體器件是指基本特性由半導(dǎo)體內(nèi)載流子流動(dòng)決定，并主要用于電力的變換、調(diào)節(jié)和開關(guān)的器件（來(lái)自于電力半導(dǎo)體器件標(biāo)準(zhǔn)）。請(qǐng)記錄一、電力半導(dǎo)體器件定義：半導(dǎo)體分立器件單極型器件電力半導(dǎo)體器件二、電力半導(dǎo)體器件分類：功率集成電路(PIC)

§1-2電力半導(dǎo)體器件概述雙極型器件智能功率集成電路(SPIC)高壓集成電路(HVIC)2026/1/2720從制造材料來(lái)分：有硅管，碳化硅(SiC)，氮化鎵(GaN)等；從工作機(jī)理(內(nèi)部載流子類型)來(lái)分：有雙極型器件、單極型器件兩類；從控制性能來(lái)分：有不可控器件、半可控器件和全可控器件三類；從驅(qū)動(dòng)信號(hào)性質(zhì)來(lái)分：有電壓控制型器件、電流控制型器件兩類；從功率等級(jí)來(lái)分（功率器件指標(biāo)I>5A，U>100V，P>10W）：有小功率器件、中功率器件、大功率器件。電力半導(dǎo)體器件的分類方法功率=電流×電壓，并非器件自身的功率損耗2026/1/2721

電力半導(dǎo)體器件IEGTGTOETOMTOIGCTFamily從結(jié)構(gòu)和組成來(lái)講高速度高耐壓低壓降高速度高耐壓低壓降基礎(chǔ)2026/1/2722功率晶體管外形功率二極管外形HighPowerRectifierDiodesZP整流管單管GTR模塊功率BJT單管FRD（快恢復(fù)二極管）模塊FastSoftRecoveryDiode電流控制型器件2026/1/2723

KK快速晶閘管

FastSwitchingThyristor

超大功率晶閘管

Ultra-highPowerThyristors晶閘管外形SCR模塊2026/1/2724光控晶閘管(Light-TriggeredThyristor,LTTs)2026/1/2725大功率GTO組件

HighPowerGTOAssemblies大功率GTO組件是把GTO元件,吸收保護(hù),驅(qū)動(dòng)和散熱器組成一體,形成一種可靠性更高,應(yīng)用更簡(jiǎn)單的功能電路。大功率GTO門極可關(guān)斷晶閘管GateTurn-OffThyristor(GTO)關(guān)斷增益3~52026/1/2726EmitterTurn-Off(ETO)ThyristorVirginiaPolytechnicInstituteandStateUniversity（弗吉尼亞理工學(xué)院與州立大學(xué)）ReduceHarmonicsintheHighPowerPWMVoltageSourceConverters發(fā)射極可關(guān)斷晶閘管實(shí)現(xiàn)單位關(guān)斷增益

改善器件性能2026/1/2727MOSTurn-OffThyristor(MTO)MOS關(guān)斷晶閘管等效電路500A/4.5kVMTO實(shí)現(xiàn)單位關(guān)斷增益

改善器件性能2026/1/2728IntegratedGateCommutatedThyristor

(IGCT)集成門極換流晶閘管“硬驅(qū)動(dòng)”技術(shù)實(shí)現(xiàn)單位關(guān)斷增益

改善器件性能2026/1/2729大功率晶閘管水冷組件功率組件（串聯(lián)）IGCT水冷組件IGCT風(fēng)冷組件2026/1/2730IR(InternationalRectifier)600VNPT-IGBT（WARP2）額定電流分為50A/35A/20A主要用于電信和服務(wù)器系統(tǒng)中的大電流、高頻開關(guān)電源電路。功率MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管PowerMOSFETsusedin48VoltNetworking&CommunicationsSystems絕緣柵雙極晶體管InsulatedGateBipolarTransistor電壓控制型器件2026/1/2731IGBT模塊德國(guó)的賽米控公司高集成度低熱阻高可靠性東芝IGBT模塊IGBTLoPakModulesIGBT模塊：600V/200A~250A，1.2kV~1.7kV/150A3.3kV/1200A，6.5kV/600AIGBT壓接式封裝2.5kV/1kA~4.5kV/4kA中車研制的4.5kV/3kA2026/1/2732功率集成電路(PIC)PowerIntegratedCircuit

HVIC：指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。SPIC：指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。高壓集成電路(HVIC)智能功率集成電路(SPIC)PIC將信息采集、處理和功率控制合一，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵接口電路和片上系統(tǒng)(SoC)的核心技術(shù)。實(shí)現(xiàn)單片PIC的關(guān)鍵是隔離問(wèn)題(源-襯間的隔離)；主要技術(shù)障礙是無(wú)源元件、封裝技術(shù)以及散熱問(wèn)題。PIC的發(fā)展方向是高集成化、規(guī)范化和智能化

PSoC發(fā)展。智能功率模塊(IntelligentPowerModule,IPM)：將縱向功率器件與驅(qū)動(dòng)、控制及各種保護(hù)電路、傳感器等封裝在一起形成模塊結(jié)構(gòu)。2026/1/2733其中配備高帶寬和高速輸出頻率為130kHz集成保護(hù)電路專用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和逆變驅(qū)動(dòng)器HVIC高壓集成電路(HVIC)單個(gè)模塊可代替130個(gè)元件；開關(guān)頻率高達(dá)20kHz電機(jī)驅(qū)動(dòng)用IPM智能功率模塊(IPM)日本富士公司的IPM2026/1/2734MOS型器件+雙極型器件

MOS-雙極型復(fù)合器件速度快(無(wú)少子存儲(chǔ));驅(qū)動(dòng)功率小（輸入阻抗高）；SOA寬(無(wú)二次擊穿)；Ron有正溫度系數(shù)；但Ron大→飽和電壓高，電壓和電流定額較小。速度慢(有少子存儲(chǔ));驅(qū)動(dòng)功率大（輸入阻抗低）；SOA窄(有二次擊穿)；Ron小→飽和電壓低；阻斷電壓高，電流容量大。有少量的少子，開關(guān)速度較快；驅(qū)動(dòng)功率小，輸出功率大；SOA寬(無(wú)二次擊穿)；Ron小，飽和電壓低。阻斷電壓較高；電流容量較大。三、電力半導(dǎo)體器件特點(diǎn)（從結(jié)構(gòu)上講）作為輸入級(jí)形成復(fù)合器件作為輸出級(jí)

用很小的功率（電壓）來(lái)驅(qū)動(dòng)或控制很大的功率（電流）2026/1/2735電力半導(dǎo)體器件的基本特點(diǎn)：雙極型器件（電流控制型）阻斷電壓高，通態(tài)壓降較低，電流容量大；開關(guān)時(shí)間較長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)功率大，SOA窄。單極型器件（電壓控制型）開關(guān)時(shí)間短，輸入阻抗高、易驅(qū)動(dòng)；Ron具有正的溫度系數(shù)，SOA寬。飽和電壓高、電壓和電流定額較小。復(fù)合型器件（電壓控制、雙極型）阻斷電壓高、通態(tài)壓降低、電流容量大；輸入阻抗高、開關(guān)速度快，SOA較寬。請(qǐng)記錄2026/1/2736電力半導(dǎo)體器件應(yīng)用領(lǐng)域以超大功率晶閘管、IGCT、高壓IGBT為代表，向高壓、大電流反向發(fā)展。以GTO、IGBT模塊、為代表，向高壓、中頻、大電流、大功率方向發(fā)展。四、電力半導(dǎo)體器件的應(yīng)用請(qǐng)記錄超大功率中等功率大功率小功率2026/1/2737五、電力半導(dǎo)體器件發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)1.發(fā)展歷程功率JFET

（50年代）MCT

（80年代中）

IGBT

（80年代中）功率MOSFET

（70年代）IEGT(90年代中)（70年代初）SITBSIT（80年代）

SITHHVIC,IPM（90年代后）電力半導(dǎo)體器件發(fā)展的重點(diǎn)：FSRD,SGT,SJMOS,IGBT,HV-Thyristor,IGCT,PIC以及新材料器件整流管、晶閘管

（50年代末~70年代）（70年代初~80年代）派生晶閘管,

GTR,GTO（90年代后）

IGCT,ETO,MTO第一代無(wú)關(guān)斷能力第二代自關(guān)斷能力第三代

性能優(yōu)異的復(fù)合型器件SiC,GaN新材料器件2026/1/27電力半導(dǎo)體器件發(fā)展歷史沿革MCT第三代半導(dǎo)體器件蓬勃發(fā)展電力半導(dǎo)體器件發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)復(fù)合型雙極型單極型材料2026/1/2740電力半導(dǎo)體器件的應(yīng)用功率和頻率范圍頻率(kHz)功率容量工作頻率2026/1/2741低損耗、高功率密度（功率和體積之比）

驅(qū)動(dòng)著設(shè)備或裝置向著更高效、更精密的方向發(fā)展；快速高頻化

發(fā)展SiC、GaN器件；易驅(qū)動(dòng)（壓控、光控）及“硬驅(qū)動(dòng)”技術(shù)；多功能集成化(單片集成、組件、模塊、智能化)；PIC芯片與功率模塊趨于小型、輕量、廉價(jià)化；減小污染—綠色化（減小生產(chǎn)和原材料應(yīng)用中的污染，減小器件使用中EMI及RFI）；增加耐用性和可靠性，使用起來(lái)更方便。2.發(fā)展趨勢(shì)2026/1/2742研發(fā)新結(jié)構(gòu)、新機(jī)理，改善器件性能；研發(fā)新材料（如SiC、GaN）基的功率器件；研究器件可靠性（如散熱、熱循環(huán)、輻射等）；改進(jìn)封裝技術(shù)，如IPM封裝、多芯片壓接封裝；新驅(qū)動(dòng)技術(shù)，將驅(qū)動(dòng)電路中的部分元器件放入管子封裝體內(nèi)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部換流；研究各種保護(hù)電路（如過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱、短路等保護(hù)），實(shí)現(xiàn)多功能集成化。3.研究熱點(diǎn)2026/1/27思考題：什么是電力半導(dǎo)體器件？復(fù)合型器件是怎么構(gòu)成的？雙極型、單極型和復(fù)合型器件的特點(diǎn)分別是什么？電力半導(dǎo)體器件的主要用途？End43功率半導(dǎo)體器件Ch3功率二極管

(PowerDiodes)電子工程系2025·春4445功率二極管封裝外形HighPowerRectifierDiodesZP整流管單管管芯FRD（快恢復(fù)二極管）單管管芯模塊FastSoftRecoveryDiode(FSRD)IGBT模塊FSRD462、PN的形成（動(dòng)畫演示）3、PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕▌?dòng)畫演示）基礎(chǔ)知識(shí)回顧1、半導(dǎo)體中的兩種載流子（動(dòng)畫演示）47內(nèi)容提要§3.1功率二極管分類與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)§3.2PIN二極管工作原理與I-V特性§3.3靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性分析§3.4功率肖特基二極管§3.5應(yīng)用要求與設(shè)計(jì)考慮§3.6特點(diǎn)與應(yīng)用范圍

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§3.1功率二極管分類與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)功率二極管分類及其相互關(guān)系擴(kuò)散二極管外延二極管1.根據(jù)制造工藝分:功率二極管2.根據(jù)用途來(lái)分:整流二極管（ZP）開關(guān)二極管(快、超快恢復(fù)二極管)(FRD)續(xù)流二極管(快速軟恢復(fù)二極管)(FSRD)功率二極管雙極—普通功率二極管(pin)單極—功率肖特基二極管(SBD)功率二極管3.根據(jù)工作機(jī)理分:4849p+pnsubn+|NA-ND|/cm-3X/

mp+pnn+結(jié)構(gòu)的雜質(zhì)分布功率二極管基本結(jié)構(gòu)：pnn+結(jié)構(gòu)和p+pnn+結(jié)構(gòu)A(陽(yáng)極)p+nsubpn+K(陰極)特點(diǎn)：1.功率處理能力強(qiáng)；2.阻斷電壓高；3.正向壓降較低。適合作整流二極管用特點(diǎn)：1.擊穿電壓低；2.正向壓降很低；3.開關(guān)速度快。適合低壓快恢復(fù)二極管p+nn+sub|NA-ND|/cm-3X/

mpnn+結(jié)構(gòu)的雜質(zhì)分布外延工藝擴(kuò)散工藝外延二極管擴(kuò)散二極管A(陽(yáng)極/Anode)p+nnsub+K(陰極/Cathode)§3.2

PIN二極管工作原理與I-V特性1.工作原理

+-正向?qū)ǚ聪蚧謴?fù)+-Ap+nnsub+KAp+nnsub+K-+反向截止Ap+nnsub+K(UAK<0)(UAK>0.7)(UAK<0)電導(dǎo)調(diào)制電流反向+少子復(fù)合穿通或雪崩擊穿5051狀態(tài)條件特征反向截止陽(yáng)-陰極加反向電壓較?。碪AK<UBD）截止,漏電流小陽(yáng)-陰極加反向電壓過(guò)大（即UAK>UBD）（UBD為擊穿電壓

）pn結(jié)雪崩擊穿,或n基區(qū)穿通,電流急增正向恢復(fù)陽(yáng)-陰極加正向電壓（即UAK>UTO）

（UTO為開啟電壓

）載流子向n基區(qū)注入,產(chǎn)生正向電流通態(tài)陽(yáng)-陰極加正向電壓（即UAK>UTO）

n基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制，傳導(dǎo)正向大電流反向恢復(fù)陽(yáng)-陰極加反向電壓（即UAK<0）

反向電流抽取，載流子復(fù)合功率二極管工作條件與狀態(tài)特征521)當(dāng)PIN二極管的UAK<0時(shí)，p+n結(jié)反偏，承擔(dān)反向電壓，功率二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)漏電流很小。當(dāng)UAK繼續(xù)增加，直到大于功率二極管的擊穿電壓(UAK>UBD)時(shí)，功率二極管發(fā)生雪崩或穿通擊穿，漏電流急劇增加。2)當(dāng)UAK>UTO時(shí)，p+陽(yáng)極區(qū)向n基區(qū)注入空穴，n+陰極區(qū)向n基區(qū)注入電子，使n基區(qū)充滿了大量非平衡載流子。當(dāng)其濃度

n=

p>>nn0(即大注入)時(shí)，n基區(qū)內(nèi)發(fā)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，功率二極管處于正向?qū)顟B(tài)，此時(shí)通過(guò)器件的電流很大，兩端的壓降很低。3)當(dāng)陽(yáng)-陰極兩端加上反向電壓(UAK<0)，功率二極管進(jìn)入反向恢復(fù)過(guò)程。于是導(dǎo)通狀態(tài)下存儲(chǔ)在n基區(qū)中的大量非平衡載流子不斷復(fù)合，外加反向電壓可加速n基區(qū)中非平衡載流子抽取，縮短反向恢復(fù)時(shí)間。直到n基區(qū)中非平衡載流子徹底消失完，功率二極管才完全截止，并承受外加反向電壓(UAK=UR)。PIN二極管的工作原理53與普通PN結(jié)二極管相同：當(dāng)外加正向電壓(UAK>UTO)時(shí)，pn結(jié)導(dǎo)通，形成電流。當(dāng)外加反向電壓(UAK<0)時(shí)，pn結(jié)截止，漏電流非常小。二極管具單向?qū)щ娦浴?/p>

2.I-V特性正向要求：電流盡量大，特性曲線盡量靠近縱軸，使正向壓降為最小;反向要求：反向擊穿電壓盡量高，特性曲線盡量靠近橫軸，漏電流小，且特性曲線要直，具有所謂“硬”特性。

二極管伏安特性開啟電壓UTO電路符號(hào)反向擊穿電壓UBD54主要特性參數(shù)1.IF(AV)：正向平均電流在規(guī)定的結(jié)溫和散熱條件下，允許流過(guò)的最大正弦半波電流的平均值。2.UF：正向壓降指在一定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的管壓降。3.URRM：反向重復(fù)峰值電壓（額定電壓）所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓，對(duì)應(yīng)的反向不重復(fù)峰值電壓URSM為1.11URRM(舊標(biāo)準(zhǔn))或URRM+100V(新標(biāo)準(zhǔn))。4.IRRM：反向漏電流（額定電壓下的電流）多芯片并聯(lián)時(shí)要求正向壓降為正溫度系數(shù)dUF/dT＞0指反向截止時(shí)的漏電流（高溫下漏電流會(huì)顯著增大）功率二極管陽(yáng)-陰極電壓變化曲線URSMURWMURRM反向工作峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓反向不重復(fù)峰值電壓針對(duì)不可重復(fù)的浪涌條件而設(shè)置選用二極管時(shí)，電壓選擇應(yīng)取2倍的安全裕量。（額定電壓）55567.QRR：反向恢復(fù)電荷8.S：軟度因子9.IFSM：浪涌電流指功率二極管所能承受的最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流。表征二極管抗短路沖擊的能力。5.trr：反向恢復(fù)時(shí)間指由導(dǎo)通到關(guān)斷時(shí)，從IF過(guò)零到IR下降到其最大值的1/4時(shí)的時(shí)間間隔。

指反向恢復(fù)期間的反向電流最大值。6.IRM：反向恢復(fù)峰值電流指反向恢復(fù)期間抽取的電荷量，定義為反向電流對(duì)時(shí)間的積分。指反向恢復(fù)時(shí)間內(nèi)的下降時(shí)間與存儲(chǔ)時(shí)間的比值，是描述反向恢復(fù)特性軟度的專用參數(shù)。10.TJM：最高工作結(jié)溫在pn結(jié)不損壞的前提下，所能承受的最高平均溫度(125℃~175℃)。一、反向擊穿特性（UAK<0）

反向擊穿特性指反偏pn結(jié)的擊穿特性。UAK>UB→IR↑↑

二極管I-V特性擊穿電壓1.雪崩擊穿：

UAK↑→Ed↑→碰撞電離加劇反向擊穿特性有兩種型式：

雪崩倍增→n,p↑↑→IR↑↑2.熱擊穿：T3>T2>T1

→n,p↑§3.3靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性分析當(dāng)功耗(反向電流與反向電壓的乘積PJ=UR

IR)超過(guò)了pn結(jié)允許的耗散功率(

)，就會(huì)因熱量散發(fā)不出去而使pn結(jié)溫度升高,導(dǎo)致二極管過(guò)熱而燒毀。使用時(shí)要避免熱擊穿。57二、功率二極管耐壓結(jié)構(gòu)及其電場(chǎng)分布

J1pnn+p+p+pnn+結(jié)構(gòu)J1n+np+pnn+結(jié)構(gòu)n區(qū)較寬ND較高n區(qū)較窄ND較低Wn

Ecr電場(chǎng)分布WD反向擊穿電壓臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度NPT型，Nonpunchthrough

PT型，punchthroughWn-電場(chǎng)分布EcrWn-反向擊穿電壓58課堂小測(cè)驗(yàn)1.功率二極管的耐壓層主要是：A.p+陽(yáng)極區(qū)B.n基區(qū)

C.n+陰極區(qū)

3.功率二極管導(dǎo)通時(shí)的狀態(tài)特征是載流子發(fā)生：A.電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)B.

雪崩倍增

C.A和B4.功率二極管的擊穿模式為：A.雪崩擊穿 B.熱擊穿C.A和B5.關(guān)于功率二極管的耐壓結(jié)構(gòu)下列描述正確的是：A.非穿通型耐壓（NPT）結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布為梯形B.穿通型耐壓（PT）結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布為三角形C.非穿通型與穿通型耐壓相等時(shí),電場(chǎng)強(qiáng)度分布包圍的面積相同2.功率二極管在高反向電壓下時(shí)會(huì)發(fā)生：A.

pn結(jié)雪崩擊穿

B.

n基區(qū)穿通

C.A和B

5960UAK導(dǎo)通狀態(tài):UAK>0二、通態(tài)特性n(x)=p(x)nnpp載流子分布UFUpJUIUnJ正向壓降p+nn+wnx=0-wn/2wn/2正向壓降：

結(jié)壓降UpJ和UnJ可用J表示為：式中J為電流密度；K0為依賴于溫度和二極管摻雜濃度分布的常數(shù)，參數(shù)

隨電流密度而變化，kT/q為常數(shù)(常溫下為0.026V)。n基區(qū)的平均載流子濃度為式中：wn為n基區(qū)厚度；R為復(fù)合速率；

n(x)為n基區(qū)的載流子濃度分布；

H為大注入時(shí)的載流子壽命(

H=

no+

po)。穩(wěn)態(tài)時(shí)電流密度也可用pn結(jié)合nn+結(jié)處的非平衡載流子濃度表示為：6162體壓降UI可簡(jiǎn)化為：UF依賴于電流密度J、大注載流子壽命

H及n基區(qū)厚度wn。正向壓降：n基區(qū)的體壓降UI為式中Rn,sp為n基區(qū)的擴(kuò)展導(dǎo)通電阻/比導(dǎo)通電阻（

cm2）；雙極遷移率大注入下雙極擴(kuò)散系數(shù)與載流子濃度有關(guān)63考慮到浪涌電流的限制，當(dāng)電流密度J增加時(shí)，UF就會(huì)急劇增加。正向電流-電壓可表示為：其中K0,K1,K2為依賴溫度和二極管的結(jié)構(gòu)參數(shù)，參數(shù)m的典型值在0.6~0.8之間。在實(shí)際使用中，產(chǎn)品數(shù)據(jù)單中通常會(huì)給出開啟電壓UTO和導(dǎo)通特性曲線的斜率電阻rT，可計(jì)算出在通態(tài)電流為IF時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降：降低正向壓降UF措施：1.從結(jié)構(gòu)上考慮,減小n基區(qū)厚度,需與擊穿電壓折衷；2.從工藝上考慮，增加少子壽命,需與反向恢復(fù)時(shí)間折衷；3.從使用角度考慮，限制器件的電流密度和工作溫度。64二極管特性參數(shù)及其與溫度的關(guān)系零溫度系數(shù)點(diǎn)（ZTC）：高、低溫下導(dǎo)通特性曲線的交點(diǎn)

開啟電壓UTO是由3

IF(AV)/2與IF(AV)/2電流所確定的直線與橫軸交點(diǎn)電壓來(lái)確定，該直線的斜率即為導(dǎo)通電阻rT的倒數(shù)。高溫下開啟電壓會(huì)減小b)正向壓降與溫度關(guān)系UF(V)0J(A)

25℃125℃UTOUFJFUF有負(fù)溫度系數(shù)UF有正溫度系數(shù)ZTC點(diǎn)UF與T無(wú)關(guān)在ZTC點(diǎn)之下，UF具有負(fù)的溫度系數(shù)，容易引起熱集中；在ZTC點(diǎn)之上，UF具有正的溫度系數(shù)，有利于均溫均流。a)開啟電壓的定義4.5IF1.5IF653.高溫下二極管開啟電壓UTO會(huì)減??；額定電流在零溫度系數(shù)(ZTC)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)電流之上時(shí)，UF會(huì)隨溫度升高而增加。說(shuō)明：功率二極管抗浪涌電流能力受結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作溫度限制。

整流二極管的IFSM(≥25IF)比FSRD的IFSM(約4.5IF)容量高。UF依賴于大注入載流子壽命

H或雙極擴(kuò)散長(zhǎng)度La及n基區(qū)厚度wn，當(dāng)wn=2La時(shí),UF可達(dá)到最小；wn>2La時(shí),UF就會(huì)急劇增加。功率二極管在正偏電壓下，從兩側(cè)的重?fù)诫s區(qū)向中央的n基區(qū)注入載流子，對(duì)n基區(qū)有電導(dǎo)調(diào)制(△p=△n>>nn0≈ND)作用，所以可獲得較低的正向壓降UF。功率二極管在浪涌電流下的正向壓降會(huì)顯著增加，且增加的幅度與浪涌電流大小有關(guān)。

課堂思考題1.功率二極管正向電壓與什么因素有關(guān)？3.功率二極管在高溫下為什么會(huì)提前導(dǎo)通？4.為什么要求功率二極管的正向壓降具有正溫度系數(shù)？

5.為什么整流二極管承受浪涌電流的能力比FSRD高？

2.如何降低功率二極管的正向壓降？6667三、正、反向恢復(fù)特性t0i(t)

tIF0.1IFdi/dt0UFtfrUFM1.1UF0.1UF正向恢復(fù)時(shí)間tfr正向恢復(fù)(即開通)波形-pnn+pnn++-+(a)初期(b)末期正向恢復(fù)期間n基區(qū)的少子濃度分布決定UFM決定UF峰值壓降UFM反向恢復(fù)(即關(guān)斷)過(guò)程反向恢復(fù)時(shí)的電流與電壓曲線決定IRM決定S反向恢復(fù)時(shí)的載流子分布(a)中期(b)末期反向恢復(fù)期間n基區(qū)的少子濃度分布6869①存儲(chǔ)時(shí)間ts=t1-t0;②下降時(shí)間tf=t2-t1;p+n結(jié)開始恢復(fù)nn+結(jié)開始恢復(fù)正向壓降通態(tài)電流反向峰值電壓反向恢復(fù)峰值電流少子通過(guò)復(fù)合消失為主少子通過(guò)反向電流快速抽出為主t2由電流在0.9IRM與IRM/4處的連線在時(shí)間軸上的交點(diǎn)決定。反向恢復(fù)時(shí)間ts

tfS↑

恢復(fù)特性越軟軟度因子反向恢復(fù)時(shí)間trr↓

恢復(fù)越快反向恢復(fù)電荷Qrr=Q1+Q2反向電壓動(dòng)態(tài)雪崩70反向恢復(fù)電荷Qrr定義為反向恢復(fù)期間反向電流對(duì)時(shí)間的積分，若用直線來(lái)表示電流波形，其反向恢復(fù)電荷為：Qrr近似等于正向?qū)〞r(shí)二極n基區(qū)的存儲(chǔ)電荷Qs，假設(shè)功率二極管有源區(qū)的面積為A，則聯(lián)立以上兩式，可得反向恢復(fù)時(shí)間為

τH為大注入載流子壽命,隨溫度升高而增大,導(dǎo)致trr增加。JF為正向電流密度；JRM為反向峰值電流密度。縮短trr措施：控制載流子壽命，需考慮與正向壓降折衷。71軟度因子S定義為下降時(shí)間tf與存儲(chǔ)時(shí)間ts的比值;

a)硬恢復(fù)特性b)硬恢復(fù)特性c)軟恢復(fù)特性

72功率二極管反向恢復(fù)期間載流子空穴的衰減過(guò)程軟恢復(fù)特性取決于其中載流子數(shù)的衰減速度，尤其在反向恢復(fù)末期，只有當(dāng)nn+結(jié)附近的載流子濃度達(dá)到一定值時(shí)才能保證其軟度。也就是說(shuō),在反向恢復(fù)末期仍存在一定的載流子時(shí)才能實(shí)現(xiàn)真正的軟恢復(fù)。抽取快,t>t4后消失抽取慢,t>t4后仍未消失+-+-73載流子濃度分布及其對(duì)應(yīng)的反向恢復(fù)特性曲線具體措施：結(jié)構(gòu)改進(jìn)（降低p+區(qū)濃度和厚度、增加n緩沖層、新結(jié)構(gòu)

）少子壽命控制（摻金、鉑或銥；電子輻照、質(zhì)子輔照）硬恢復(fù)軟恢復(fù)提高陰極側(cè)載流子濃度減低陽(yáng)極側(cè)載流子濃度74PiNp+n+n-AKLLDApn+n-KFS-LLDpn+n-nAKP+Pp+n-p+n+nn+AKFCE-DCIBH-Dpn+n-AKpppppp+n+n-AKSPEED/SSD快速軟恢復(fù)二極管陽(yáng)極與陰極的改進(jìn)結(jié)構(gòu)

控制陽(yáng)極側(cè)載流子注入快速度，增加陰極側(cè)載流子注入軟恢復(fù)NEW參考課本p25-2775測(cè)試條件：di/dt=25A/us，ITM=1kA,VRM=100V;測(cè)試結(jié)果：IRM=62.5A,trr=4.78

s，Qrr=184.5

C電子輻照前、后FRD二極管反向恢復(fù)特性曲線的變化電子輻照前

p>100s少子壽命對(duì)FRD反向恢復(fù)特性曲線的影響電子輻照后

p3s質(zhì)子輻照效果好慢而軟快而硬課堂小測(cè)驗(yàn)1.描述功率二極管反向恢復(fù)特性的主要參數(shù)是：A.trr、Qrr

B.

IRM、URM

C.S

D.A、B和C3.改善功率二極管的反向恢復(fù)特性的措施描述正確的是：A.通過(guò)陽(yáng)極結(jié)構(gòu)可以改善軟度、陰極結(jié)構(gòu)可以改善速度B.通過(guò)陽(yáng)極結(jié)構(gòu)可以改善速度、陰極結(jié)構(gòu)可以改善軟度C.通過(guò)電子輻照可以改善速度和軟度

D.通過(guò)電子輻照可以改善速度，不能改善軟度

2.FSRD理想的載流子分布：A.陽(yáng)極側(cè)載流子濃度低、陰極側(cè)載流子濃度低

B.

陽(yáng)極側(cè)載流子濃度低、陰極側(cè)載流子濃度高C.陽(yáng)極側(cè)載流子濃度高、陰極側(cè)載流子濃度低D.陽(yáng)極側(cè)載流子濃度高、陰極側(cè)載流子濃度高76§3.4功率肖特基二極管功率SBD二極管分類1.普通功率SDB二極管

MPS結(jié)構(gòu)(Mergedpin/Schottky)

3.pin/SBD復(fù)合結(jié)構(gòu)—功率肖特基二極管:由SBD派生而來(lái)(PowerSchottkyBarrierDiode,PowerSBD)2.結(jié)勢(shì)壘控制肖特基二極管(JunctionBarriercontrolledSchottky,JBS）用途：在開關(guān)電路中用作超快恢復(fù)二極管77781.功率肖特基(SBD)二極管特點(diǎn)：閾值電壓UTO與金屬有關(guān),約0.3V.通態(tài)壓降與J有關(guān)。在小J下，壓降??；在高J下，壓降很高。由于接觸區(qū)邊緣處的空間電荷區(qū)彎曲引起電場(chǎng)集中，使其耐壓低于100V→終端技術(shù)。工作機(jī)理:當(dāng)UAK>UTO時(shí),SBD導(dǎo)通,多子參與導(dǎo)電，無(wú)電導(dǎo)調(diào)制—單極工作模式。開關(guān)速度快,只受MS接觸處勢(shì)壘電容充放電時(shí)間限制(向n區(qū)擴(kuò)展)。用途：高頻，超快恢復(fù)二極管n+

subn

epiAK功率SBD結(jié)構(gòu)及符號(hào)p+p+串聯(lián)電阻2.結(jié)勢(shì)壘控制二極管(JBS)p+79采用不同金屬形成的功率SBD

I-V特性曲線UTO為了降低通態(tài)功耗，可采用低勢(shì)壘高度的金屬

UTO↓；為了抑制高溫下的漏電流，需采用高勢(shì)壘金屬

IR↓。肖特基勢(shì)壘高度Ubi依賴于金屬的功函數(shù)。Ubi↓→UTO↓→UF↓；同時(shí)Ubi↓→IR↑，需折衷考慮。80

通態(tài)特性

功率SBD特征導(dǎo)通電阻為n漂移區(qū)電阻RD與UBD的關(guān)系各電阻均為特征電阻,

單位為

cm2，UBD的單位為V。功率SBD的正向壓降UF可表示為UFS和體壓降之和：可見，功率SBD的UF與勢(shì)壘高度、溫度、結(jié)構(gòu)參數(shù)及電流密度有關(guān)。并且，正向壓降具有負(fù)的溫度系數(shù)。由熱發(fā)射理論知，流過(guò)SBD電流UFS為肖特基結(jié)的正向壓降；81當(dāng)功率SBD加上反偏壓時(shí),由n漂移區(qū)來(lái)承擔(dān)反向電壓，峰值電場(chǎng)位于金-半接觸處。由于金屬層不承擔(dān)電壓，所以功率SBD的反向阻斷能力可以用突變pn結(jié)來(lái)處理。假設(shè)為平行平面結(jié)的擊穿，則n漂移區(qū)的摻雜濃度ND和厚度WD與擊穿電壓UBR的關(guān)系分別為SBD漏電流:可見，漏電流與溫度、勢(shì)壘高度的變化等有關(guān)；漏電流JR隨溫度升高會(huì)急劇增加，隨勢(shì)壘高度降低增加。

反向截止特性課堂思考題1.功率SBD正向壓降與什么因素有關(guān)？3.為什么功率SBD的正向壓降具有負(fù)的溫度系數(shù)？4.為什么功率SBD的漏電流隨溫度升高而增加？

5.為什么功率SBD的耐壓較低而速度很快？

2.如何降低功率SBD的正向壓降？822.pin/肖特基復(fù)合MPS結(jié)構(gòu)(Mergedpin/Schottky并聯(lián))

1)當(dāng)MPS反向工作時(shí)，pn結(jié)的空間電荷區(qū)相連，將肖特基結(jié)屏蔽，使其不承受外加反向電壓；pinSBDpinSBD工作原理:2)當(dāng)MPS正向工作時(shí)，當(dāng)UA>0.3V時(shí)，肖特基勢(shì)壘開通；當(dāng)UA>0.6V時(shí)，pn結(jié)開通，有空穴注入，產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，于是正向壓降減小。UAK↑

MPS由肖特基結(jié)控制的單極模式轉(zhuǎn)向由pn結(jié)控制的雙極模式83電子流電子流空穴流空穴流空穴流83I-V特性曲線MPS與SBD、pin二極管的特性比較MPS的導(dǎo)通特性介于pin二極管與SBD之間；在低電流密度下MPS的UF低，由SBD決定；在高電流密度下MPS的UF較高，由pin二極管決定。MPS的反向恢復(fù)特性比pin二極管更好。84反向恢復(fù)峰值電流IRM(A)正向壓降UF(V)pinMPS0在J<0.1A/cm2下SBD有更低的UF采用鈦、鎳、金、鉑等金屬制作肖特基接觸1）4H-SiC

SBD結(jié)構(gòu)與硅SBD結(jié)構(gòu)相同，外延工藝2）4H-SiCSBD的工作原理與硅SBD相同：?jiǎn)螛O工作模式4.4H-SiCSBD3）4H-SiCSBD的特性：4H-SiCSBD是2kV~3kV、8~10kHz應(yīng)用場(chǎng)合首選器件在J<1kA/cm2下4H-SiCSBD有更低的UF851）4H-SiC

MPS結(jié)構(gòu)與硅MPS結(jié)構(gòu)相同：外延+硼離子注入工藝，p+區(qū)比4H-SiCJBS的p+區(qū)更深2）4H-SiCMPS的工作原理與硅MPS相同：?jiǎn)螛O+雙極—雙模式工作5.4H-SiCMPS3）4H-SiCMPS的特性：JA=200A/cm2，低壓4H-SiCMPS工作在JBS區(qū)，高壓4H-SiCMPS工作在MPS區(qū)1.2kV12kV10~50A/cm2>1kA/cm2200A/cm286（1）整流管：要求：高電壓、大電流、低損耗；

選擇p+pn-n+結(jié)構(gòu)（2）快恢復(fù)二極管：要求：反向恢復(fù)時(shí)間短（幾百ns~5

s）、壓降低低壓時(shí)

選pnn+外延結(jié)構(gòu)、高壓時(shí)

選pp-n-n+擴(kuò)散結(jié)構(gòu)（3）快恢復(fù)軟恢復(fù)二極管：要求：反向恢復(fù)時(shí)間短，軟度大，壓降低。低壓時(shí)

選擇pn-nn+結(jié)構(gòu)（4層）高壓時(shí)

選擇pp-n-nn+結(jié)構(gòu)（5層）1.功率二極管的應(yīng)用要求§3.5應(yīng)用要求與設(shè)計(jì)考慮8788（1）反向擊穿特性（2）正向?qū)ㄌ匦裕?）反向恢復(fù)特性反向擊穿電壓由雪崩擊穿電壓決定，與n基區(qū)的濃度(或電阻率)和厚度有關(guān);

n-↑/ND↓,wn↑→UBD↑

增加n基區(qū)寬度、提高電阻率及其均勻性→反向擊穿電壓↑;增加空間電荷區(qū)載流子的產(chǎn)生壽命

SC↑→反向漏電流↓。正向壓降與n基區(qū)的厚度及其大注入壽命

H有關(guān);

(wn

/

2La)↓→UF↓(與UBD矛盾);

H=

n+

p↑→UF↓(與toff矛盾)

控制n基區(qū)寬度，提高少子壽命，同時(shí)要降低接觸壓降。反向恢復(fù)時(shí)間與n基區(qū)的厚度及其少子壽命

p有關(guān);

wn↓→trr↓但UBD↓,Enn+↑(與阻斷特性、抗動(dòng)態(tài)雪崩能力矛盾);

p↓→trr↓(與UF要求矛盾)

降低陽(yáng)極中性區(qū)的少子壽命，增加反向抽取電流。2.各項(xiàng)特性對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的制約關(guān)系89對(duì)NPT型耐壓結(jié)構(gòu)對(duì)PT型耐壓結(jié)構(gòu)對(duì)PT型耐壓結(jié)構(gòu)，考慮nn+結(jié)電場(chǎng)及終端的影響,n基區(qū)厚度：擊穿電壓UBD與n基區(qū)厚度wn之間的關(guān)系當(dāng)厚度Wn相同時(shí)，采用PT結(jié)構(gòu)獲得擊穿電壓高。對(duì)1200V的器件，采用NPT和PT耐壓結(jié)構(gòu)，因n基區(qū)厚度不同，導(dǎo)致其UF相差約0.8V；對(duì)高壓器件,UF差別將會(huì)更大。依據(jù)UBD估算n基區(qū)厚度3.設(shè)計(jì)考慮90（1）高壓整流二極管的設(shè)計(jì)選PT型耐壓結(jié)構(gòu)Wn電場(chǎng)分布Ecr反向擊穿電壓主要考慮擊穿電壓和正向壓降的折衷：陽(yáng)極區(qū)采用重?fù)诫s、深結(jié)，以提高注入效率；減薄n基區(qū)的厚度；保證高的載流子壽命。J1n+np+p+pnn+結(jié)構(gòu)p91wn

Ecr反向擊穿電壓（2）快恢復(fù)二極管(FRD)的設(shè)計(jì)n+nppnn+結(jié)構(gòu)選PT型耐壓結(jié)構(gòu)在滿足擊穿電壓的前提下，主要考慮正向壓降和反向恢復(fù)時(shí)間的折衷：陽(yáng)極區(qū)采用中等摻雜、淺結(jié)，以降低注入效率；減薄n基區(qū)的厚度、適當(dāng)增加n基區(qū)的濃度。降低nn+結(jié)處峰值電場(chǎng)強(qiáng)度Enn+Enn+92wn

Ecr反向擊穿電壓（3）快速軟恢復(fù)二極管(FSRD)設(shè)計(jì)n-ppn-nn+結(jié)構(gòu)選PT型耐壓結(jié)構(gòu)在滿足擊穿電壓的前提下，主要考慮正向壓降和反向恢復(fù)速度、軟度的折衷：p陽(yáng)極區(qū)采用中等摻雜、淺結(jié)以降低注入效率；減薄n基區(qū)的厚度、適當(dāng)增加n基區(qū)的濃度。增加n緩沖層，提高恢復(fù)末期n-n結(jié)處載流子濃度；降低高低nn+結(jié)處峰值電場(chǎng)強(qiáng)度Enn+。Enn+na)正斜角b)負(fù)斜角

整流二極管常用斜角臺(tái)面終端結(jié)構(gòu)

a)場(chǎng)限環(huán)結(jié)構(gòu)

b)場(chǎng)限環(huán)與場(chǎng)板復(fù)合結(jié)構(gòu)

快恢復(fù)二極管常用的平面終端結(jié)構(gòu)

結(jié)終端設(shè)計(jì)考慮Ws平面終端臺(tái)面終端UBD為有源區(qū)擊穿電壓UB與表面擊穿電壓UBRS兩者中較小者，且UBD>UBRSdr耐壓效率9394功率SBD要求：反向恢復(fù)時(shí)間短（幾ns~幾百ns）

選擇Mn-n+外延結(jié)構(gòu)根據(jù)擊穿電壓指標(biāo),按PT結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)最小擴(kuò)展導(dǎo)通電阻為設(shè)計(jì)關(guān)鍵：1.肖特基結(jié)材料的確定:

采用高勢(shì)壘金屬材料作肖特基接觸，如PtSi勢(shì)壘高度為0.85eV,閾值電壓UTO為0.5V;UF=UTO+Ron,SPmin

J2.n漂移區(qū)參數(shù)的設(shè)計(jì):根據(jù)額定電流密度J計(jì)算正向壓降：n漂移區(qū)擴(kuò)展電阻與UBD的關(guān)系：按NPT結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),擴(kuò)展導(dǎo)通電阻大于Ron,SPmin§3.6特點(diǎn)與應(yīng)用范圍主要用途：整流；續(xù)流(與作IGBT、IGCT配套)FWD/FRD工作模式：開關(guān)目的：降低功耗;保護(hù)主開關(guān)器件;提高可靠性等正向壓降低UF↓（dUF/dT＞0）反向漏電小IR↓（高溫下）

靜態(tài)損耗

正向恢復(fù)時(shí)間短tfr↓,UFM↓

反向恢復(fù)電荷少Q(mào)rr↓反向恢復(fù)時(shí)間短

trr↓反向恢復(fù)電流峰值小IRM↓開關(guān)損耗↓反向恢復(fù)特性軟S↑抗浪涌電流和動(dòng)態(tài)雪崩的能力強(qiáng)

保護(hù)主器件，減小EMI，提高設(shè)備可靠性直流參數(shù)開關(guān)參數(shù)95工頻應(yīng)用：整流快速開關(guān)應(yīng)用：開關(guān)電源、不間斷電源(UPS)、交流電動(dòng)機(jī)。逆變電路中續(xù)流：與晶閘管、GTO、GCT和IGBT等主器件配套作續(xù)流用。

功率二極管的主要缺點(diǎn)：電壓、電流容量有限SiC功率二極管；電流不可控

功率晶體管；pin二極管反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)、頻率較低

功率肖特基二極管。主要應(yīng)用范圍：整流管：數(shù)千伏，數(shù)千安，反向恢復(fù)時(shí)間>5

s,頻率<1kHz；快恢復(fù)二極管：幾百ns~5

s；超快恢復(fù)二極管：20ns~

100ns（如功率肖特基二極管的反向恢復(fù)極短,壓降較低,耐壓<200V）快速軟恢復(fù)二極管：數(shù)千伏，幾十~幾百安，幾百ns~5

s96主要特性參數(shù)：96971、熟悉功率二極管的基本結(jié)構(gòu)、制造工藝和特點(diǎn)；2、掌握功率二極管的工作原理及I-U特性曲線；3、掌握兩種功率二極管的耐壓結(jié)構(gòu)及其摻雜分布;4、熟悉功率二極管如下特性參數(shù)的含義：

反向擊穿電壓，正向壓降，反向恢復(fù)時(shí)間，軟度因子5、熟悉pin二極管和功率SBD在結(jié)構(gòu)、原理和特性區(qū)別；6、掌握MPS二極管的工作原理和電導(dǎo)調(diào)制機(jī)理；7、熟悉功率SBD和MPS二極管在結(jié)構(gòu)和特性的區(qū)別；8、了解硅和碳化硅pin二極管、功率SBD及MPS應(yīng)用范圍。本章知識(shí)點(diǎn)請(qǐng)記錄End97功率半導(dǎo)體器件Ch4功率雙極型晶體管

(PowerBipolarTransistors)電子工程系2025·春功率晶體管封裝外形GTR模塊功率BJT單管（塑封）功率BJT單管（金屬管殼）99達(dá)林頓BJT芯片100內(nèi)容提要§4.1功率晶體管的分類與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)§4.2工作原理與I-V特性

§4.3特性分析

§4.4二次擊穿與安全工作區(qū)(SOA)§4.5碳化硅雙極晶體管§4.6應(yīng)用要求與設(shè)計(jì)考慮§4.7主要用途與特點(diǎn)1013.晶體三極管導(dǎo)通必須同時(shí)滿足的兩個(gè)條件：(1)基-射極間加正向電壓(UBE>0)，提供基極電流(IB>0);

(2)集-射極間加正向電壓(UCE>0V)，即集電結(jié)反偏)。4.功率雙極晶體管一般采用npn結(jié)構(gòu)雙極晶體管基礎(chǔ)知識(shí)回顧

1.晶體三極管內(nèi)載流子的運(yùn)動(dòng)(動(dòng)畫演示)2.晶體三極管共射輸出特性(動(dòng)畫演示)為了提高BJT擊穿電壓

采用三重?cái)U(kuò)散結(jié)構(gòu)；為了提高電流均勻性采用多發(fā)射區(qū)并聯(lián)結(jié)構(gòu)§4.1功率晶體管的分類與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)符號(hào):按用途分：功率放大和功率開關(guān)

基本結(jié)構(gòu)：n+pnn+結(jié)構(gòu)按制作工藝分：外延和擴(kuò)散102雜質(zhì)分布：特點(diǎn)：1.開關(guān)速度快；2.飽和電壓低;3.電流增益大。適合功率放大特點(diǎn)：1.擊穿電壓高；2.飽和壓降較高。適合功率開關(guān)。三重?cái)U(kuò)散晶體管n+pnn+結(jié)構(gòu)外延晶體管n+pnn+結(jié)構(gòu)103當(dāng)E結(jié)零偏或反偏、C結(jié)反偏時(shí),BJT處于截止模式；當(dāng)E結(jié)正偏、C結(jié)反偏時(shí),BJT處于放大模式(功率放大)；當(dāng)E結(jié)和C結(jié)均正偏時(shí),BJT處于飽和模式(功率開關(guān))。晶體管是非線性元件，其特性與其工作模式有關(guān)：BJT的放大作用表現(xiàn)為：用較小的基極電流可以連續(xù)控制較大的集電極電流；或?qū)⑤^小的功率按比例放大為較大的功率?！?.2工作原理及I-V特性共射極電路適合電力電子應(yīng)用

一、工作模式共射極電路IBIC104105截止?fàn)顟B(tài)：UCCRCUBBRB共射極電路（UBE=0）IE0發(fā)射極無(wú)注入IC0集電結(jié)反偏,有微小的漏電流流過(guò)功率晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，集電結(jié)承受反向電壓IB=0UBE=0UCE>0JcJe外加電壓UCC過(guò)大,集電結(jié)會(huì)發(fā)生雪崩擊穿/穿通BECnn+pn+106開通狀態(tài)：UBE>0UCE>0共射極電路（UBE>0）IEEB結(jié)加正偏,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成IE擴(kuò)散到基區(qū)的自由電子與空穴復(fù)合形成IBEICBOCB結(jié)反偏,漂移運(yùn)動(dòng)形成ICEIC=ICE+ICBOIBEICEIB=IBE-ICBO發(fā)射極開路時(shí)集電結(jié)反向飽和電流ICBO電流放大倍數(shù)：UCCRCUBBRBBECnn+pn+功率晶體管處于放大狀態(tài)JcJe107飽和狀態(tài)：UCE>0共射極電路（UBE>>0）集電極電流達(dá)到飽和UCCRCUBBRBBECnn+pn+功率晶體管處于飽和狀態(tài)由淺深JcJeUBE>>0電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng),基區(qū)寬變效應(yīng)iB↑基區(qū)、集電區(qū)有非平衡載流子積累108關(guān)斷狀態(tài)：共射極電路（UBE<0）功率晶體管又恢復(fù)到截止?fàn)顟B(tài)，集電結(jié)承受反向電壓UCCRCUBBRBBECnn+pn+UBE<0UCE>0IB<0IC0IE0狀態(tài)變化：(1)截止(2)放大(3)淺/深飽和(4)退飽和(5)放大(6)截止JcJe基極抽取少子復(fù)合非平衡載流子逐漸消失1091）當(dāng)功率晶體管(BJT)基-射極電壓UBE

0(即IB=0)、集-射極加正向電壓(即UCE>0、C結(jié)反偏)時(shí)，功率雙極晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)漏電流很小。當(dāng)UCE繼續(xù)增加，大于BJT的雪崩擊穿電壓UCEO時(shí)，功率雙極晶體管發(fā)生雪崩擊穿，此時(shí)漏電流急劇增加。2）當(dāng)UBE>UTE(即IB>0),UCE>0時(shí)，發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子,一部分與基區(qū)空穴復(fù)合,其余都會(huì)擴(kuò)散到C結(jié),并被C結(jié)耗盡區(qū)電場(chǎng)掃入集電區(qū)形成集電極電流。UBE↑→IB↑→IC↑,功率雙極晶體管呈放大狀態(tài)；隨UBE或IB不斷增加,從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的電子增多,并向C區(qū)擴(kuò)展,使C結(jié)由反偏→零偏→正偏,功率BJT達(dá)到臨界飽和狀態(tài)。當(dāng)UBE或IB進(jìn)一步增加,注入電子大量涌入集電區(qū),使得

n=

p>>NC，于是基區(qū)和集電區(qū)都會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，功率雙極晶體管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，其中流過(guò)的電流很大，兩端的壓降很低。3）當(dāng)UBE<0(即IB<0)時(shí)，導(dǎo)通時(shí)注入到基區(qū)和集電區(qū)的非平衡載流子開始被基極電流抽取,并不斷復(fù)合,C結(jié)由正偏→零偏→反偏，功率BJT由深飽和→淺飽和→放大→截止,功率BJT恢復(fù)截止態(tài)。

功率雙極晶體管的工作原理110狀態(tài)條件特征截止集-射極加正向電壓較?。?<UCE<UCEO）基-射極加反電壓（即UBE<0或IB=0）截止漏電小集-射極加正向電壓過(guò)大（即UCE>UCEO）（UCEO為IB=0時(shí)BJT的雪崩擊穿電壓

）集電結(jié)發(fā)生雪崩擊穿后電流急增開通集-射極加正向電壓（即UCE>0）、

基-射極加正電壓（即UBE>UTE或IB>0）

（UTE為發(fā)射極的開啟電壓

）發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入載流子、載流子在基區(qū)中擴(kuò)散并進(jìn)入集電區(qū)飽和導(dǎo)通集-射極加正向電壓（即UCE>0）

基極電流連續(xù)施加（IB>>0）基區(qū)和集電區(qū)電導(dǎo)調(diào)制、基區(qū)寬變；IB↑飽和度由淺變深

關(guān)斷集-射極加正向電壓（即UCE>0）

基-射極加負(fù)電壓（即UBE<0或IB<0）基極反向電流抽取，載流子復(fù)合功率晶體管工作條件與狀態(tài)特征111輸出特性放大區(qū)特征：當(dāng)UBE>0,UBC<0時(shí)，隨IB增加,IC線性增大

BJT呈放大狀態(tài)飽和區(qū)特征：當(dāng)UBE>0，UBC>0,β和UCE均達(dá)到最小值，進(jìn)入飽和

BJT處于通態(tài)。三種工作狀態(tài)擊穿區(qū)特征：當(dāng)UCE

微小變化引起IC很大增加，

BJT擊穿狀態(tài)。放大工作區(qū)

開態(tài)工作區(qū)關(guān)態(tài)工作區(qū)截止區(qū)特征：UBE≤0，UBC<0，E結(jié)不注入電子，僅有很小的漏電流流過(guò)

BJT處于斷態(tài)。112主要特性參數(shù)2.IC

：集電極電流（額定電流）在規(guī)定的結(jié)溫和散熱條件下，允許流過(guò)的最大集電極電流的平均值。3.UCEsat：集電極-發(fā)射極飽和壓降指在一定溫度下，功率晶體管飽和導(dǎo)通時(shí)對(duì)應(yīng)的管壓降。1.UCEO：集電極-發(fā)射極擊穿電壓（額定電壓）基極開路時(shí)，集電極-發(fā)射極之間所能重復(fù)施加的最高峰值電壓，與電流增益有關(guān)。4.ton：開通時(shí)間指加上正的基極電流到集電極電流上升到其峰值的90%的時(shí)間間隔。

指加上負(fù)的基極電流到集電極電流下降到其峰值的10%的時(shí)間間隔。5.toff：關(guān)斷時(shí)間6.TJM

：最高工作結(jié)溫在功率晶體管不損壞的前提下，所能承受的最高平均溫度。1131.功率晶體管的耐壓層主要是：A.p基區(qū)

B.n集電區(qū)

C.n+集電區(qū)

2.功率晶體管導(dǎo)通時(shí)的狀態(tài)特征是：A.發(fā)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)B.發(fā)生基區(qū)寬變效應(yīng)C.兩者都發(fā)生3.功率晶體管的工作模式有：A.截止、放大、飽和B.截止、飽和C.截止、放大4.功率晶體管放大的條件是：發(fā)射結(jié)反偏(IB=0)、集電結(jié)反偏;

發(fā)射結(jié)正偏(IB>0)、集電結(jié)反偏;

C.發(fā)射結(jié)正偏(IB>0)、集電結(jié)正偏。課堂小測(cè)驗(yàn)1114§4.3特性分析

一、通態(tài)特性大注入下基區(qū)和集電區(qū)發(fā)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)功率雙極型晶體管在導(dǎo)通狀態(tài)的載流子濃度分布UBE>UTE（IB>0）UCE>00xp(x)對(duì)應(yīng)載流子濃度分布電中性要求集電區(qū)濃度p(0)p(wB)wB輸出特性

飽和度Q與UCEsat

a)放大IB小,UCE大b)淺飽和IB↑UCE↓c)深飽和限IB↑↑UCE↓↓d)深飽和IB大,UCE小載流子濃度分布基區(qū)會(huì)發(fā)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)并擴(kuò)展基區(qū)寬變效應(yīng)未調(diào)制區(qū)飽和條件

淺飽和區(qū)深飽和區(qū)放大區(qū)Q↑

toff↑Q↑

UCEsat

載流子濃度分布與I-V特性對(duì)應(yīng)關(guān)系115n+pn-n+飽和度Q淺飽和限深飽和限飽和時(shí)集電區(qū)（調(diào)制區(qū)）產(chǎn)生的壓降為在大注入條件下，假設(shè)dp/dx=dn/dx,空穴電流可以忽略，集電區(qū)非平衡載流子濃度近似為線性分布，可表示為x=0--發(fā)射結(jié)所在位置；p(wB)--集電結(jié)處的載流子濃度。利用,并代入E(x),則集電極電流表示為116準(zhǔn)飽和區(qū)時(shí)，只有部分集電區(qū)被電導(dǎo)調(diào)制，調(diào)制區(qū)壓降Un1為

在準(zhǔn)飽和區(qū)時(shí)集電區(qū)總壓降為

wB—基區(qū)寬度變化量；NC—集電區(qū)摻雜濃度。未調(diào)制部分的壓降Un2用歐姆定律求得，UCEsat包括集電區(qū)體壓降Un(最大)、發(fā)射區(qū)與基區(qū)的體壓降及其歐姆接觸壓降UmEBC、發(fā)射結(jié)壓降UJE及集電極歐姆接觸壓降UC。功率晶體管的總壓降：117118放大區(qū)：電流增益hFE

功率晶體管處于放大狀態(tài)時(shí)輸出電流與輸入電流之比。共射極電流增益：共基極電流增益：w—中性基區(qū)的寬度二、擊穿特性

功率BJT在截止?fàn)顟B(tài)下的電場(chǎng)分布晶體管基極開路時(shí)集-射極的擊穿電壓Enn+Epn119基區(qū)較厚時(shí)基區(qū)較薄時(shí)120共射極擊穿特性UCEO<UCER<UCES<UCEXUCEO—基極開路UCER—基極-發(fā)射極加電阻UCES—基極-發(fā)射極間短路UCEX—發(fā)射結(jié)反偏在基極-發(fā)射極間加電阻，會(huì)降低發(fā)射結(jié)壓降使注入效率

和

減小，導(dǎo)致?lián)舸╇妷涸黾??；鶚O-發(fā)射極在正偏和反偏條件下的擊穿特性當(dāng)

npn=0.9時(shí),UCEO=0.63UCBO當(dāng)

npn=0.99時(shí),UCEO=0.4UCBO

121開通時(shí)間ton:由延遲時(shí)間td

和上升時(shí)間tr

兩部分組成，ton=td+tr關(guān)斷時(shí)間toff:由存貯時(shí)間ts和下降時(shí)間tf兩部分組成，toff=ts+tf

三、開關(guān)特性功率晶體管的開關(guān)損耗功率晶體管開關(guān)過(guò)程的電流集中現(xiàn)象（currentpinching）在晶體管關(guān)斷過(guò)程中，由于基區(qū)存在自偏壓效應(yīng)，使發(fā)射極邊緣部分被反偏，邊緣先關(guān)斷，中心仍導(dǎo)通，于是出現(xiàn)發(fā)射極電流集中現(xiàn)象。在晶體管導(dǎo)通過(guò)程中，基區(qū)自偏壓效應(yīng)，當(dāng)晶體管工作在放大區(qū)時(shí)，會(huì)引起發(fā)射極電流的集邊效應(yīng)。采用多個(gè)小發(fā)射區(qū)并聯(lián)結(jié)構(gòu)可提高其電流的均勻性122§4.4二次擊穿與安全工作區(qū)(SOA)二次擊穿需要時(shí)間（觸發(fā)時(shí)間）和能量（觸發(fā)功率）：觸發(fā)時(shí)間：當(dāng)?shù)谝淮窝┍罁舸┖?，從電流上升到ISB，再到觸發(fā)產(chǎn)生二次擊穿（A→B→C點(diǎn)）的延遲時(shí)間。第一次雪崩擊穿后，當(dāng)加在BJT上的能量超過(guò)臨界值（觸發(fā)功率）時(shí)，才產(chǎn)生二次擊穿，也就是說(shuō)二次擊穿需要能量。觸發(fā)功率二次擊穿實(shí)驗(yàn)曲線

負(fù)阻特性一.二次擊穿特性（IB<0）（IB=0）（IB>0）123124

減小基區(qū)橫向電阻，可以削弱發(fā)射極電流集邊和集中效應(yīng)；采用三重?cái)U(kuò)散工藝，可以提高摻雜濃度的均勻性；采用叉指形基-射極圖形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),可以防止熱集中；適當(dāng)增加n集電區(qū)厚度或摻雜濃度,控制Enn+,可以防止雪崩擊穿。防止和改善二次擊穿的措施（從設(shè)計(jì)和工藝考慮）

二次擊穿產(chǎn)生的原因125BJT工作的安全范圍由4條曲線限定：①集電極最大允許直流電流線ICM

，由集電極允許承受的最大電流決定；②集電極允許最高電壓UCE0，由雪崩擊穿決定；③集電極直流功耗線PCM

，由熱阻決定；④二次擊穿臨界線PSB，由二次擊穿觸發(fā)功率決定。二.安全工作區(qū)(SOA)

安全工作區(qū)(SOA)：由器件極限參數(shù)規(guī)定的區(qū)域。在任何條件下，通過(guò)器件的電流和兩端的電壓都不能工作在極限參數(shù)之外，否則就不安全。四個(gè)主要參數(shù)功率BJT的安全工作區(qū)126RBSOA(IB<0)基極關(guān)斷反向電流正偏和反偏安全工作區(qū)（SOA）當(dāng)脈沖寬度<1s時(shí)，可以不考慮最大功耗和二次擊穿限制?；鶚O反向電流絕對(duì)值越大，反偏安全工作區(qū)越窄。可見,RBSOA比FBSOA大得多。在晶體管關(guān)斷瞬間，對(duì)BJT基極驅(qū)動(dòng)電路施加負(fù)的基-射極電壓，可以有效利用RBSOA。最大集電極電流最大允許功耗雪崩引起二次擊穿最大耐壓限制SOA與脈沖持續(xù)時(shí)間有關(guān)過(guò)熱引起二次擊穿BUCEXFBSOA(IB>0)1.開關(guān)電路：要求：高電壓、低損耗，速度快（3

s~30

s）；低壓時(shí)

選擇n+pn-n+外延結(jié)構(gòu)；高壓時(shí)

選擇n+pn-n+擴(kuò)散結(jié)