单元2_功率二极管.pptVIP

第2章 功率二极管 2.1 半导体基础 2.2 常见的半导体分立器件 2.3 功率二极管 2.4 功率二极管的散热措施 二、半导体与金属中的载流子 三、 PN结 1. PN结的形成 2. PN结的单向导电性 3. PN结的穿通 4. PN结的反向击穿 5. PN结的电容效应 6. PN结的动态特性 7、PN结的动态特性 二、功率二极管 1、功率二极管的结构 2、伏安特性 3、功率开关特性 4、性能参数 1、功率二极管的结构 2 、 功率二极管的特性 (1) 伏安特性 (2) 开关特性 2.4 功率二极管的散热措施 肖特基二极管特点 优点： 1、正向导通压降低 2、反向漏电流受温度变化小 3、动态特性好，工作频率高 缺点： 1、反向漏电流大 2、耐压低 目前主要使用的半导体材料有硅和砷化镓二种。GaAs介电常数小、迁移率大，相对硅、锗二极管，其结电容CJ和串联体电阻小、截止频率高、噪声小，缺点是GaAs和金属接触的势垒高度，一般比硅大，因而导通电压比较高。 由于电子的迁移率比空穴大，为获得良好的频率特性，故一般选择n型的半导体材料作基片。 材料、结构和工艺 为了减小SBD的结电容，提高反向击穿电压，同时又不使串联电阻过大，通常是在N＋衬底上外延一高阻N－薄层。 金属材料应选用与半导体接触形成的势垒高度较低的金属。 对于n-Si,常用的金属有Ni、Mo、Ti、Pt 对于n-GaAs，采用过的金属有Au、Ag、Ni、Cr、Ti 功率肖特基势垒二极管主要是利用薄膜淀积技术在N型低阻硅上，淀积一层金属（铬、铂、钨、钼等）制成。其结构有二种，如右图所示 P型环与n型外延层构成pn结，它与肖特基二极管并联，肖特基二极管的正向压降低于pn结的，不会影响肖特基二极管的正向特性，但反向状态下，p区将增加边缘势垒层的曲率和半径，反向特性得到明显改善。 （4）碳化硅肖特基二极管 一、期待中的SiC器件 随着对大功率变换器、高速变换器的需求日益增加，开始感到硅功率器件的性能受到限制，面对广阔的市场，不得不考虑一些新的材料，长远考虑金刚石是一理想的材料，近年来SiC材料越来越受到重视，有人预言：碳化硅是21世纪最好的电力电子器件材料。 SiC晶体也是一种多晶型的，从物理参数看，与Si相比有以下特点： ① 带隙宽度是硅的2~3倍 ② 绝缘击穿电场是硅的10倍 ③ 热导为硅的3倍 ④ 本征温度是硅的3~4倍 这些特点决定了碳化硅是制作功率器件的理想材料  2000年5月4日，美国CREE公司和日本关西电力公司联合宣布研制成功12.3kV的SiC功率二极管，其正向压降VF在100A/cm2电流密度下为4.9V。这充分显示了SiC材料制作功率二极管的巨大威力。 作 业： 思考题 1、为什么不能用负斜角做P+N结的终端造型 2、正向特性好的PN二极管，其反向特性一般较差，为什么？ 3、决定PN二极管的trr因素有器件内因与电路外因两类，分别是什么？ 4、为什么PN结做高频整流时常需并联RC缓冲回路？ 1、提高功率二极管的反向阻断能力，常采用哪些方法？ 2、肖特基二极管的优缺点是什么？碳化硅肖特基二极管的优点是什么？ 一、散热原理 二、散热器及其安装 半导体器件的基本结构是PN结，而PN结的性能与温度密切相关，为了保证器件正常工作，必须规定最高允许的结温Tjm ,与最高结温对应的器件的耗散功率即是器件允许的最大的耗散功率。器件正常工作时不能超过最高结温和功率的最大允许值，否则器件的特性与参数将要发生变化，甚至因为电极或半导体层的熔化而永久失将效。 但电力电子器件在传递和处理电能的同时，也要通过电-热转换消耗一部分电能。为了保持器件的正常工作，由消耗电能转换而成的热量必须及时传出器件并有效的散发掉。这就涉及到散热原理与散热措施两方面的内容。 由于时刻t1的电流变化率di/dt=0，因而此时电感上的电压迅速下降至零，反向电压UR直接加在二极管上。然而在时刻t1之后，由于反向电流迅速下降，在电路电感中产生反向感生电动势叠加在二极管上，而发生反冲至极大值URP，并在时刻t2附近下降至UR。 当空间电荷区附近的额外空穴即将抽尽，致使沿P+N方向的额外空穴电荷密度差△PN0时，管压降即变为负极性。这时流经二极管的反向电流达到极大值IRP，然后迅速下降。空间电荷区迅速展宽，二极管重新获得反向阻断能力。 二极管的反向恢复时间trr: 普通二极管trr一般为25us左右，如国产ZP系列的硅整流二极管。 快恢复二管也称开关二极管， trr通常小于5us左右，如国产ZK系列的硅快速二极管 低于50ns称为超快恢复二极管 恢复系数Sr定义： Sr越大，二极管的恢复性能越软。下图为几种二极管的瞬态电流波形，由于阶跃二极管在关断过程中di/