功率半導(dǎo)體器件課件.ppt

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1、功率半導(dǎo)體器件第一章緒論1.1理想的和典型的開(kāi)關(guān)波形理想的功率器件需要具有無(wú)損耗地控制功率流向負(fù)載的能力總耗散功率：低頻工作區(qū)：開(kāi)態(tài)損耗占主導(dǎo)，低開(kāi)態(tài)壓降的功率開(kāi)關(guān)器件是追求目標(biāo)高頻工作區(qū)：開(kāi)關(guān)損耗占主導(dǎo)，高開(kāi)關(guān)速度和低的轉(zhuǎn)換時(shí)間是追求目標(biāo)實(shí)際需要對(duì)低開(kāi)態(tài)壓降和低開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)行折衷1.2理想的和典型的功率器件特性正向:具有傳導(dǎo)任意大電流而開(kāi)態(tài)壓降為0的能力；反向阻斷模式:具有承受任意大電壓而漏電流為0的能力；具有為0的開(kāi)態(tài)-關(guān)態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間.1.3單極性功率器件正向電壓低，開(kāi)關(guān)速度快；反向阻斷電壓低電壓型控制型器件，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單；窄導(dǎo)電溝道，通態(tài)電阻隨漂移區(qū)長(zhǎng)度急劇增大，限制了

2、阻斷電壓(<200V)1.4雙極性功率器件高濃度的載流子注入降低了器件的通態(tài)電阻(電導(dǎo)率調(diào)制)；關(guān)斷時(shí)需要移除這些高濃度的載流子，導(dǎo)致大的關(guān)斷損耗1.5MOS-雙極功率器件較易的電壓控制、很強(qiáng)的電流處理能力和良好的高頻性能1.6雙極性器件的理想漂移區(qū)比電阻：最大耗盡層寬度：最大耗盡層寬度：：BFOM(Baliga‘sfigureofmerit,Baliga優(yōu)值)1.7用于制備功率器件的半導(dǎo)體材料優(yōu)值1.8課程內(nèi)容及考核P-i-n整流器件，雙極功率器件，功率MOSFET，晶閘管類(lèi)器件，雙極-MOS功率器件學(xué)時(shí)32：周二（1~16周）考核方式：平時(shí)60%+隨堂測(cè)試40%第二章

3、p-i-n二極管應(yīng)用:整流器額定電流:1A到幾百安培反向阻斷電壓:幾十伏特到幾千伏特設(shè)計(jì)目標(biāo):高反向阻斷電壓、低正向壓降、開(kāi)關(guān)態(tài)間快的轉(zhuǎn)換速度2.1器件性能一維分析開(kāi)態(tài)電流傳輸機(jī)制1.電流非常低時(shí),P–N結(jié)的空間電荷區(qū)的復(fù)合過(guò)程是電流主要傳輸機(jī)制2.電流比較低時(shí),少子通過(guò)擴(kuò)散注入漂移區(qū)是電流主要傳輸機(jī)制3.高注入條件下,漂移區(qū)充滿大量過(guò)剩電子和空穴，電導(dǎo)率調(diào)制成為主要機(jī)制高注入電流高注入條件下，電中性條件要求漂移區(qū)電子和空穴濃度相等:在N-漂移區(qū)中運(yùn)用連續(xù)性方程:Dn,Dp:電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù):高注入條件下漂移區(qū)載流子壽命(2.2)(2.2)(2.1)方程(2.2)X(

4、)，(2.3)X()得到穩(wěn)態(tài)條件下(2.4)應(yīng)該為(2.4)(2.5)上式中利用了雙極擴(kuò)散系數(shù)：(2.6)在N/N+陰極處(x=+d),電流主要由電子承載，采用100%電子效率假設(shè)，可得到:同樣道理，在N/P+陽(yáng)極處(x=?d),電流主要由空穴承載:(2.7)(2.8)(2.9)(2.10)利用(2.8),空穴電流為方程(2.7)中總電子電流在該處的值為同樣可得到空穴電流(2.11)(2.12)(2.13)(2.14)(2.15)最后，可以得到漂移區(qū)載流子濃度與注入電流的關(guān)系(2.16)下面來(lái)計(jì)算漂移區(qū)電場(chǎng)，漂移區(qū)任意處電子電流和空穴電流分別為：穩(wěn)態(tài)條件下，總電流是電子和

5、空穴電流之和且為常數(shù)：(2.17)(2.18)(2.19)(2.20)對(duì)(2.20)式電廠分布求積分，可以獲得漂移區(qū)電壓降(2.22)(2.23)(2.21)電導(dǎo)率調(diào)制效應(yīng)：與J無(wú)關(guān)開(kāi)態(tài)壓降開(kāi)態(tài)壓降(正向壓降)是三項(xiàng)之和:減小正向壓降，需要控制d/La的大小，即減小漂移區(qū)長(zhǎng)度d或增大擴(kuò)散長(zhǎng)度La；La與載流子壽命的平方根成正比，所以需要漂移區(qū)保持盡可能低的摻雜濃度(2.24)(2.25)反向阻斷電壓反向阻斷電壓要小于擊穿電壓，而擊穿電壓主要有低摻雜去所決定。半導(dǎo)體材料決定了最大擊穿電場(chǎng)EC，對(duì)于單邊突變結(jié):提高要擊穿電壓(反向阻斷電壓)的措施：1.漂移區(qū)足夠厚(d),以使

6、在反偏時(shí)能夠建立起足夠?qū)挼暮谋M層，這與降低正向壓降有沖突，需要折衷考慮2.使用低摻雜濃度和高電阻率晶圓，在生產(chǎn)中嚴(yán)格控制化學(xué)試劑的質(zhì)量3.使用具有高擊穿電場(chǎng)的材料，如SiC，GaN2.2動(dòng)態(tài)特性正向?qū)ㄟ^(guò)程開(kāi)通過(guò)程中存在電壓過(guò)沖現(xiàn)象：載流子注入p+-i和n+-i結(jié)區(qū)，然后擴(kuò)散進(jìn)入低摻雜i區(qū)，當(dāng)電流變化很快時(shí)，載流子來(lái)不及通過(guò)擴(kuò)散在中間區(qū)域建立起電導(dǎo)調(diào)制，從而遞增的電流引起遞增的電壓降落在中間區(qū)域反向過(guò)程在第1階段結(jié)束時(shí)，二極管中任然充滿了過(guò)剩載流子；在第2階段，反向增大的電流不斷抽走結(jié)區(qū)的過(guò)剩載流子，直至過(guò)剩載流子濃度下降到與熱平衡時(shí)的值，空間電荷區(qū)開(kāi)始建立；其它區(qū)域的過(guò)

7、剩載流子導(dǎo)致反向電流繼續(xù)增大到最大值，然后隨著殘余載流子的擴(kuò)散和復(fù)合而衰減，隨后反向電壓升至其穩(wěn)定值第三章雙極結(jié)型功率晶體管基本特性關(guān)態(tài)阻斷電壓高電壓和大電流特性動(dòng)態(tài)特性3.1雙極晶體管的結(jié)構(gòu)及基本特性除了N+發(fā)射極和P基區(qū)外，功率BJT具有一個(gè)寬的摻雜濃度極低的集電極漂移區(qū)用于承受高的阻斷電壓電流增益共射極電流增益：共基極電流增益：共射與共基極電流增益：基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)：共射電流增益：阻斷電壓發(fā)射極開(kāi)路時(shí)的擊穿電壓：BVCBO基射極開(kāi)路時(shí)的擊穿電壓：BVCEO集電極電流：擊穿條件：由于所以3.2開(kāi)通狀態(tài)大電流狀態(tài)，除了BJT的三