现代功率半导体技术课后学习报告..docx

现代功率半导体器件原理与应用摘要日益严重的能源和环境问题使得人们对电能变换的效率、品质越来越关注，也引导了功率半导体器件沿着高效率、高频率、高耐压、高功率、集成化、智能化等方向迅速发展。本文概要介绍了电力二极管、Power MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等功率半导体器件的工作原理,阐述了功率半导体器件与集成技术的发展现状和趋势。关键词： 功率半导体器件 二极管 MOSFET IGBT引言电能是目前最重要的能源形式之一，为满足发电、输电和用电的各种不同要求，几乎所有电能从生产到消费的过程中都经过电压、电流、频率等参数的调节，可统称为电能的变换。而为满足这种电能变换需求诞生了电力电子技术，利用功率半导体器件的开关作用，实现弱电对强电的控制。徐殿国教授说过：“功率半导体器件是电力电子技术的pioneer，是电力电子变换装置的核心组件。”功率半导体器件几乎无处不在，大到机车牵引、船舶推进及风力发电，小到洗衣机、冰箱、空调等家用电器，功率半导体器件都在其中起着关键的控制作用。目前，在中小功率范围内，各种新型自关断器件如GTO（门极关断）晶闸管、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)等已经取代过去传统的半可控器件晶闸管。在大功率应用领域，自关断器件也开始占据越来越大的份额。为进一步提高功率等级，基于碳化硅、氮化镓、金刚石等新型材料的所谓宽禁带功率半导体器件也进入了研究和早起产品化阶段，预计数年间就将有成熟的产品推出。可以说，功率半导体器件的发展目前已呈现百花齐放的局面，但其发展却还方兴未艾，并将持续深入地影响到人们的社会和生活功率半导体器件2.1、分类功率半导体器件(power semiconductor devices)是进行功率处理的半导体器件。根据载流子的不同, 功率半导体器件分为两类,一类为双极型号功率半导体器件； 另一类为单极功率半导体器件。前者主要由功率二极管(其中肖特基势垒功率二极管属于单极功率半导体器件)、晶闸管、绝缘栅双极型晶管(IGBT)；后者主要包含以 VDMOS 为代表的功率 MOS 器件。根据材料分类主要是硅基功率半导体器件和宽禁带材料基(主要是碳化硅(SiC)和氮化稼(GaN))功率半导体器件。图 1为几种典型功率半导体器件应用频率和功率范围图1 典型功率半导体器件应用频率和功率范围2.2、工作原理功率半导体器件主要包括功率二极管、晶闸管、功率 MOSFET、功率绝缘栅双极晶体管及宽禁带功率半导体器件等, 由于篇幅有限, Leo Lorenz教授重点阐述二极管、功率MOSFET、IGBT三种功率半导体器件。2.2.1、二极管对于一个基区宽度为w,掺N型杂质的PIN二极管,结构如图2所示,两边的PN结和可以用普通的PN结二极管模拟,关键是中间的I层。I层电荷的存储产生电导调制效应,他决定了PIN二极管开关的尖锋泄漏、插入损耗和恢复时间等诸多瞬态特性。图2 PIN二极管结构PIN 二极管是由 P 型和 N 型材料之间夹一本征层而构成的结型二极管。在低频时，它具有与 PN 结相似的伏安特性，不仅能承受很高的反向电压，而且具有较小的正向压降，理想的 PIN 二极管 I 层材料应是本征型的，但是很难做到。实际的 I 层可近似认为是低掺杂的高阻层。对于具有很高反向阻断能力的PN结基本是阶跃结，也就是说一个区域的掺杂远比另一个区域要大，图 3 给出了 结中的情况，从中可以看出电场是很难穿透到高掺杂的区域，所以电压都由低掺杂区承担。图3 一个 阶跃结对于高压二极管的设计必须要在结构上加以改善，方法是在结的低掺杂区加一层 区，浓度要高于 ，又要低于区域的浓度，但是区相比区浓度相差不要太大，如果区浓度太低，那么当阴极的等离子已被完全耗尽时，而 区域中间还有大量的剩余载流子，结果会在阴极发射极处形成耗尽层和电场，也就是说阴极耗尽层在阳极发射极耗尽之前就已形成。在两个耗尽层相遇时刻，等离子被消耗完，电流瞬间变为零，就会发生一个突变，结果会导致器件损坏；所以为了有好的欧姆接触，又使器件内部不会产生过多的功耗，就得采用为结构，由于中间区域掺杂较低，所以通常把二极管叫做 PIN 二极管 2.2.2、功率 MOSFET功率 MOSFET 应用领域广阔,是中小功率领域内主流的功率半导体开关器件。作为多子导电的功率MOSFET,关断时由于没有少子而显著地减小了开关时间和开关损耗,冲破了电力电子系统中20 kHz这一长期被认为不可逾越的障碍。目前功率MOS器件主要包括平面型(以VDMOS为代表,如图 4所示)槽栅(以 trench MOSFET为代表,如图 5 所示)和超结(super-junction, 如图 6 所示) 型功率MOS器件。功率MOSFET是一种功