功率半导体器件课件

功率半导体器件功率半导体器件1第一章绪论第一章绪论2功率半导体器件课件31.1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4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总耗散功率：51.2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.1.2理想的和典型的功率器件特性正向:具有传导任意大电流6功率半导体器件课件71.3单极性功率器件正向电压低，开关速度快；反向阻断电压低1.3单极性功率器件正向电压低，开关速度快；8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，限制了阻断电压(<200V)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91.4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1.4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101.5MOS-双极功率器件

1.5MOS-双极功率器件11较易的电压控制、很强的电流处理能力和良好的高频性能较易的电压控制、很强的电流处理能力和良好的高频性能121.6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)1.6双极性器件的理想漂移区比电阻：最大耗尽层宽度：最大耗131.7用于制备功率器件的半导体材料优值1.7用于制备功率器件的半导体材料优值141.8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%1.8课程内容及考核P-i-n整流器件，双极功率器件，功率15第二章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第二章p-i-n二极管应用:整流器162.1器件性能一维分析2.1器件性能一维分析17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开态电流传输机制1.电流非常低时,P–N结的空间电荷区18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)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19方程(2.2)X()，(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)方程(2.2)X()，(2.3)X(20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)在N/N+阴极处(x=+d),电流主要由电子承载21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)利用(2.8),空穴电流为方程(2.7)中总电子电流在该22最后，可以得到漂移区载流子浓度与注入电流的关系(2.16)最后，可以得到漂移区载流子浓度与注入电流的关系(2.16)23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，总电流是电子和空穴电流之和且为常数：(2.17)(2.18)(2.19)(2.20)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：24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无关对(2.20)式电厂分布求积分，可以获得漂移区电压降(2.25功率半导体器件课件26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)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27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，GaN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282.2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2.2动态特性正向导通过程29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30功率半导体器件课件31功率半导体器件课件32功率半导体器件课件33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第三章双极结型功率晶体管基本特性343.1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，35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：电流增益共射极电流增益：36基区输运系数：共射电流增益：基区输运系数：共射电流增益：37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383.2开通状态大电流状态，除了BJT的三个工作区域外，还出现了一个准饱和区。它的出现源于较厚的掺杂浓度极低的集电极区所引起的电导调至效应3.2开通状态大电流状态，除了BJT的三个工作区域外，还出39饱和区由电中性条件得到：流过集电结的空穴和电子电流为：电子电流可以被忽略，所以集电极电场流过集电结的电子电流为：利用Einstein关系及流过集电结的电子电流近似等于总电流得到：少子在N-drift区的分布：N-drift区少子与基-集结偏压的关系为：N-drift区压降为：由于：将VBCJ和VD表达式代入上式得到：饱和区由电中性条件得到：流过集电结的空穴和电子电流为：电子电40饱和区一旦有上述二次方程求的pNS(0)，即可VDN-drift区存储的过剩少子电荷为：N-drift区空穴电流(少子)用于维持该区域载流子复合，所以空穴电流密度为：饱和区通态电压近似等于该电压，通常为100~300mV饱和区一旦有上述二次方程求的pNS(0)，即可VDN-dri41准饱和区IB减小导致N-drift区不能完全被电导率调制，被电导率调制的N-drift区宽度为未被电导率调制的N-drift区宽度未被电导率调制的N-drift区压降成为通态压降的主要部分准饱和区IB减小导致N-drift区不能完全被电导率调制，被423.3开关特性电子在基区渡越时间基区电子存储集电极电流随时间变化集电极电流上升时间3.3开关特性电子在基区渡越时间基区电子存储集电极电流随时43关态过程关态过程44大电流效应---Webster效应在大注入条件下，为维持基区电中性，大量的多子空穴从基极注入，导致从基区注入到发射区的空穴流增大，从而最终导致发射结注入效率降低在大注入条件下，发射结边界处空穴浓度流过发射结的空穴电流忽略基区载流子复合，基极电流等于注入发射区的空穴电流所以共射电流增益IC/IB()大电流效应---Webster效应在大注入条件下，为维持基45功率半导体器件课件46大电流效应---Kirk效应放大模式下，Jc比较小时，N-drift区耗尽层电场分布主要由电离施主浓度决定。在大注入条件下，电子浓度变得与施主浓度相差不大，这些电子会对带正电荷的施主杂质起到补偿作用，从而电场分布也受到这些电子浓度的影响。电子以饱和速度通过集电结区，所以电子浓度求解Poisson方程得到电场分布Jc增大，电场线性分布的斜率变小(a~b).当Jc增大到时，耗尽区电荷为0，电场为一常数值。Jc进一步增加，使得耗尽区净电荷为负，电场分布变成Jc增大，导致有效基区展宽，电流增益减小大电流效应---Kirk效应放大模式下，Jc比较小时，N-47功率半导体器件课件48大电流效应---发射极电流集边效应低注入情况，电流集边效应高注入情况，电流集边效应为减小电流集边效应，集电极常采用叉指构型大电流效应---发射极电流集边效应低注入情况，电流集边效应高49第四章晶闸管工作状态开通，正向阻断，反向阻断工作原理双BJT模型物理模型瞬态过程各种晶闸管第四章晶闸管工作状态504.1结构和工作状态晶闸管(thyristor)用于非常高的功率场合，阻断电压常超过3000V，为承受如此高压，N-drift区掺杂极低。器件输出特性如左下图：(1)反向阻断态(2)正向阻断态(3)正向导通态4.1结构和工作状态晶闸管(thyristor)用于非常高51反向阻断J1结和J3结反偏，J2结正偏。J3结两边区域掺杂浓度较高，只能维持比较小的反向偏压(<50V)，所以反向阻断电压主要降落在J1两端反向阻断能力由如下因素决定：(1)雪崩击穿电压：(2)穿通电压：(3)介于上述极限之间，类似于开路PNP晶体管，击穿电压决定于J2处空穴注入效率、N-基区空穴扩散长度及有效基区厚度.发生击穿时，共基极电流增益满足其中基区输运系数、有效基区宽度及倍增因子分别为反向阻断J1结和J3结反偏，J2结正偏。J3结两边区域掺杂浓52正向阻断态当阳极(P+)施加正向正电压时，J1结和J3结正偏，J2结反偏。反向阻断电压降落在J2两端N-区穿通决定的击穿电压：P区穿通决定的击穿电压：正向阻断态当阳极(P+)施加正向正电压时，J1结和J3结正偏53正向导通状态随着正向电压升高，器件从高阻态转换到低阻态，J2结附近有大量过剩载流子，在整个器件内层，注入的电子和空穴浓度要远大于多字的平衡浓度，晶闸管行为类似与P-i-N二极管正向导通状态随着正向电压升高，器件从高阻态转换到低阻态，J2544.2晶闸管开关的双晶体管模型IG=0且正向偏压大于VAS时，晶闸管从正向阻断态转变为低阻抗导通态。类似于基极开路的BJT，流过整个器件的电流为：J2击穿时，考虑到电流倍增则有Ic1Ic2阳极电流得到开通条件IG<0，J1和J3的注入效率很低，效率也很低，开通条件只有在倍增因子M很大时才能满足，转向电压接近于孤立J2的击穿电压；IG>0，导致发射极电流增加，电流增益增大，晶闸管可以在较低的阳极电压下开通4.2晶闸管开关的双晶体管模型IG=0且正向偏压大于VAS554.3晶闸管开关的能带变化正向阻断态:J1,J3正偏，J2反偏，空穴从P1注入N1被J2的反偏电场抽运到P2，使其能带降低，导致J3更加正偏；与之对应，电子聚集在N1区使之能带升高，导致J1更加正偏。在器件端电压不是足够大时，注入的过剩载流子完全被复合掉正向导通态：端电压不是足够高时，载流子除了复合外，剩下的流入外部电路反向阻断态：J1,J3反偏，J2正偏4.3晶闸管开关的能带变化正向阻断态:J1,J3正偏，J564.3开通的瞬态过程门极触发的开通开通区域横向扩展临界通态电流上升率放大门极结构---辅助晶闸管场启动门及结构---悬浮辅助阴极关态临界电压上升率阴极短路点4.3开通的瞬态过程门极触发的开通574.3关断的瞬态过程利用电路换向关断利用减小正向电流关断门极关断4.3关断的瞬态过程利用电路换向关断58功率半导体器件功率半导体器件59第一章绪论第一章绪论60功率半导体器件课件611.1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62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总耗散功率：631.2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.1.2理想的和典型的功率器件特性正向:具有传导任意大电流64功率半导体器件课件651.3单极性功率器件正向电压低，开关速度快；反向阻断电压低1.3单极性功率器件正向电压低，开关速度快；66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，限制了阻断电压(<200V)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671.4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1.4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681.5MOS-双极功率器件

1.5MOS-双极功率器件69较易的电压控制、很强的电流处理能力和良好的高频性能较易的电压控制、很强的电流处理能力和良好的高频性能701.6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)1.6双极性器件的理想漂移区比电阻：最大耗尽层宽度：最大耗711.7用于制备功率器件的半导体材料优值1.7用于制备功率器件的半导体材料优值721.8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%1.8课程内容及考核P-i-n整流器件，双极功率器件，功率73第二章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第二章p-i-n二极管应用:整流器742.1器件性能一维分析2.1器件性能一维分析75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开态电流传输机制1.电流非常低时,P–N结的空间电荷区76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)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77方程(2.2)X()，(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)方程(2.2)X()，(2.3)X(78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)在N/N+阴极处(x=+d),电流主要由电子承载79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)利用(2.8),空穴电流为方程(2.7)中总电子电流在该80最后，可以得到漂移区载流子浓度与注入电流的关系(2.16)最后，可以得到漂移区载流子浓度与注入电流的关系(2.16)81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，总电流是电子和空穴电流之和且为常数：(2.17)(2.18)(2.19)(2.20)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：82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无关对(2.20)式电厂分布求积分，可以获得漂移区电压降(2.83功率半导体器件课件84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)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85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，GaN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862.2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2.2动态特性正向导通过程87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88功率半导体器件课件89功率半导体器件课件90功率半导体器件课件91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第三章双极结型功率晶体管基本特性923.1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，93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：电流增益共射极电流增益：94基区输运系数：共射电流增益：基区输运系数：共射电流增益：95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963.2开通状态大电流状态，除了BJT的三个工作区域外，还出现了一个准饱和区。它的出现源于较厚的掺杂浓度极低的集电极区所引起的电导调至效应3.2开通状态大电流状态，除了BJT的三个工作区域外，还出97饱和区由电中性条件得到：流过集电结的空穴和电子电流为：电子电流可以被忽略，所以集电极电场流过集电结的电子电流为：利用Einstein关系及流过集电结的电子电流近似等于总电流得到：少子在N-drift区的分布：N-drift区少子与基-集结偏压的关系为：N-drift区压降为：由于：将VBCJ和VD表达式代入上式得到：饱和区由电中性条件得到：流过集电结的空穴和电子电流为：电子电98饱和区一旦有上述二次方程求的pNS(0)，即可VDN-drift区存储的过剩少子电荷为：N-drift区空穴电流(少子)用于维持该区域载流子复合，所以空穴电流密度为：饱和区通态电压近似等于该电压，通常为100~300mV饱和区一旦有上述二次方程求的pNS(0)，即可VDN-dri99准饱和区IB减小导致N-drift区不能完全被电导率调制，被电导率调制的N-drift区宽度为未被电导率调制的N-drift区宽度未被电导率调制的N-drift区压降成为通态压降的主要部分准饱和区IB减小导致N-drift区不能完全被电导率调制，被1003.3开关特性电子在基区渡越时间基区电子存储集电极电流随时间变化集电极电流上升时间3.3开关特性电子在基区渡越时间基区电子存储集电极电流随时101关态过程关态过程102大电流效应---Webster效应在大注入条件下，为维持基区电中性，大量的多子空穴从基极注入，导致从基区注入到发射区的空穴流增大，从而最终导致发射结注入效率降低在大注入条件下，发射结边界处空穴浓度流过发射结的空穴电流忽略基区载流子复合，基极电流等于注入发射区的空穴电流所以共射电流增益IC/IB()大电流效应---Webster效应在大注入条件下，为维持基103功率半导体器件课件104大电流效应---Kirk效应放大模式下，Jc比较小时，N-drift区耗尽层电场分布主要由电离施主浓度决定。在大注入条件下，电子浓度变得与施主浓度相差不大，这些电子会对带正电荷的施主杂质起到补偿作用，从而电场分布也受到这些电子浓度的影响。电子以饱和速度通过集电结区，所以电子浓度求解Poisson方程得到电场分布Jc增大，电场线性分布的斜率变小(a~b).当Jc增大到时，耗尽区电荷为0，电场为一常数值。Jc进一步增加，使得耗尽区净电荷为负，电场分布变成Jc增大，导致有效基区展宽，电流增益减小大电流效应---Kirk效应放大模式下，Jc比较小时，N-105功率半导体器件课件106大电流效应---发射极电流集边效应低注入情况，电流集边效应高注入情况，电流集边效应为减小电流集边效应，集电极常采用叉指构型大电流效应---发射极电流集边效应低注入情况，电流集边效应高107第四章晶闸管工作状态开通，正向阻断，反向阻断工作原理双BJT模型物理模型瞬态过程各种晶闸管第四章晶闸管工作状态1084.1结构和工作状态晶闸管(thyristor)用于非常高的功率场合，阻断电压常超过3000V，为承受如此高压，N-drift区掺杂极低。器件输出特性如左下图：(1)反向阻断态(