电力电子器件章演示文稿

电力电子器件章演示文稿当前1页，总共63页。优选电力电子器件章当前2页，总共63页。二.电力电子器件概述

1.器件的种类:二极管（diode）普通二极管、快恢复二极管、肖特基二极管、稳压二极管。晶体管（transistor）BJTGTR（Darlington）FETJFETSIT(th)MOSFETVDMOSIGBTMCT(th)晶闸管（thyristor）SCR

特种派生器件

GTOMCT当前3页，总共63页。2.工作状态:开关、相控。不能用于放大状态。3.器件参数:（选用器件的基础）耐压、电流容量、开关时间、

di/dt及dv/dt耐量、二极管反向恢复特性、驱动触发特性、热特性。4.结构、工作原理、特点:结构决定性能。5.应用方法:（后续课:新型电力电子器件应用技术）驱动、缓冲、过流保护、测试、散热等。当前4页，总共63页。第二章半导体器件的理论基础第一节半导体基础第二节PN节原理当前5页，总共63页。第一节半导体基础当前6页，总共63页。1.电子器件半导体器件（体积小，重量轻，功耗小）真空管器件2.为何用半导体做电力电子器件？导体，半导体，绝缘体半导体特性随其组分而敏感变化。半导体特性随热、光、磁而变化。半导体有两种载流子。

材料多。SiGeSeGaAs

SiC

二氧化硅SiO2

多。技术成熟，变化灵活。工作温度高。第一节半导体基础当前7页，总共63页。1.有电子和空穴两种载流子。

载流子电子自由电子；空穴束缚电子的空缺施主杂质，受主杂质，N型半导体，P型半导体，空穴。

2.漂移运动:

电场为零，电子与空穴杂乱无章。电场不为零，电子与空穴作定向漂移运动。迁移率：载流子在单位电场中的漂移速度。

3.空穴和电子相对运动:空穴顺电场运动，电子逆电场运动。电子的迁移率大于空穴的迁移率。（束缚电子运动空穴运动；自由电子运动电子运动）一.半导体中的载流子:当前8页，总共63页。当前9页，总共63页。当前10页，总共63页。4.本征半导体:未掺杂质，电子密度与空穴密度相等。本征激发5.掺杂:增加电子或空穴密度。掺杂浓度远远大于本征浓度。

P型:空穴浓度远远大于电子浓度；

N型:电子浓度远远大于空穴浓度。多数载流子，少数载流子，多子器件，少子器件。6.杂质补偿：通过掺杂相互补充。

N、P类型转化，但总掺杂浓度增高迁移率降低。二.能带论:（不讲）载流子复合本征激发（产生电子空穴对）当前11页，总共63页。三.本征半导体导电的热敏性:本征激发敏感于温度T。本征硅半导体的温度稳定性差，非本征硅半导体的温度稳定性好。不同元素的温度范围不同。

当前12页，总共63页。当前13页，总共63页。第二节PN结原理当前14页，总共63页。第二节PN结原理1.PN结:

P型半导体与N型半导体的相同晶体结构的接合部2.产生方法:合金法，扩散法，离子注入法，外延法。3.PN结的单相导电性。一.平衡条件下的PN结:

1.浓度梯度产生扩散运动。

2.带电粒子的扩散运动破坏电中性条件。

PN结处浓度梯度扩散运动空间电荷区

空间电场漂移运动阻止进一步扩散。漂移流与扩散流相反方向。漂移运动与扩散运动达到动态平衡。当前15页，总共63页。3.内电场方向:

NP4.平面结PN结（一维）。突变结接触势垒:空间电荷区主要向轻掺杂一侧展开，外加电压主要加在轻掺杂一侧。当前16页，总共63页。当前17页，总共63页。二.偏置条件下的PN结:1.正反偏置:空间电荷区承担电压假设。即PN结承担全部外加电压。方向的设定:P正，N负为正偏置；

P负，N正为反偏置。2.零偏置:空间电荷区压降为U0，

空间电荷区宽度为W0，净电流为零。正偏置:空间电荷区压降为U0－UF，

空间电荷区宽度变窄，净电流IF。

反偏置:空间电荷区压降为U0＋UR，

空间电荷区宽度变宽，净电流IR约为零。当前18页，总共63页。当前19页，总共63页。3.理想PN结I─V特性：单向导电性。电流密度：A）.正偏PN结:正偏空间电场减小扩散大于漂移少子注入（持续稳定，少子积累和少子复合)少子积累和复合形成少子浓度梯度。中性区多子漂移与中性区边界附近的注入少子扩散流复合未复合的多子经过空间电荷区扩散变为另一中性区的少子继续扩散与另一中性区的多子漂移相复合当注入少子全部被复合时:扩散电流漂移电流。当前20页，总共63页。当前21页，总共63页。当前22页，总共63页。电流连续性:总正向电流＝电子电流＋空穴电流。任一截面上总电流密度相等。（扩散流＋漂移流＝恒值）B).反偏PN结:反偏空间电场增大漂移大于扩散中性区PN结边界处少子被强电场抽取至另一中性区原中性区的远边界处少子向PN结边界扩散形成反向饱和电流。当前23页，总共63页。产生电流:空间电荷区中热激发产生的电子空穴对，来不及复合被强电场分开而形成的电流。反压越高，产生电流越大。三.PN结的穿通与击穿:

1.穿通:

PN结的反向电压使空间电荷区展宽而接近电极的短路。单边结P+N的穿通电压为:

2.PN结击穿:空间电荷区中点阵原子的电离，直接产生大量的电子和空穴，提供少子抽取源,使反向电流大大增加。当前24页，总共63页。当前25页，总共63页。3.两种点阵原子电离机制:雪崩击穿←载流子倍增；齐纳击穿←→隧道击穿。

雪崩击穿电压:

PN结加反向电压时，其空间电荷区的峰值电场超过其临界电场时，载流子在空间电荷区中漂移具有很高的动能，与其点阵原子碰撞电离，产生电子空穴对，被强电场分开，并再次碰撞点阵原子电离，产生更多的电子空穴对（雪崩增加），反向电流大大增加。

影响雪崩击穿的因素:空间电场的强弱；空间电荷区的宽度（轻掺杂区）；雪崩击穿的电压随轻掺杂区杂质浓度的升高而下降。当前26页，总共63页。齐纳击穿:（重掺杂PN结中）重掺杂空间电荷区扩展不开，但空间电场强使点阵原子直接电离发生隧道渡越反向电流急剧增加。四.PN结的热效应:

PN结的正向电压（通态压降）是温度的函数。小电流密度时，负温度系数（温度越高，通态压降越小）；大电流密度时，正温度系数（温度越高，通态压降越高）。当前27页，总共63页。五.PN结的电容:（势垒电容，扩散电容）

PN结的电容使二极管整流有一定频率限制。

1.平行板电容器:

2.势垒电容:空间电荷区==载流子的势垒区。正偏压空间电荷区变窄充电。（P型，充空穴中和负离子；

N型，充电子中和正离子）。反偏压空间电荷区变宽放电。①势垒电容是可变电容，（因空间电荷区的宽度变化）。②当外加电压大小，极性变化时，均有势垒电容充放电过程。当前28页，总共63页。

3.扩散电容:在空间电荷区外的中性区的近边界层中，当正偏压变化时少子注入受扩散速度限制而形成积累形成少子浓度梯度。当正偏压增大时少子注入增多积累越多。

4.可变电容→用微分电容定义。偏压为U时的微分电容。六.PN结的动态特性:

(电容过渡过程

I－V特性）

1.少子寿命:τ注入额外少数载流子的平均生存时间（复合快慢)。

复合几率:1/τ单个载流子在单位时间内所能得到的复合几率。当前29页，总共63页。2.正向偏置的P+N型单边突变结:假设1:N区足够长，使P注入少子空穴最终全被复合，不能扩散至N电极。假设2:N区电子对P+区无注入。结论1:

P+N结正偏，P向N注入空穴，在N区形成少子（额外载流子）积累，由于N区的电子复合而形成少子浓度梯度，随着正向电流上升，注入空穴积累增多，浓度梯度变缓，少子遍布大部分N区（原来为高阻区），使N区电阻率下降→电导调制。当前30页，总共63页。当前31页，总共63页。电导调制效应:正偏PN结注入的额外载流子浓度（少子），远远高于被注入区的平衡少子浓度，使该区电阻率下降。结论2:正偏稳态P+N结突然反偏:大量的少子因反向而形成瞬时大反向电流，（强空间电场对少子抽取），少子被抽取至平衡浓度时，大的反向电流恢复至反向饱和电流值I0。

P+N结由正偏至反偏关断的I-V瞬态曲线:当前32页，总共63页。当前33页，总共63页。存储时间ts、下降时间tf、反向恢复时间toff=ts+tf。，N区中少子空穴寿命（p）越长少子复合消失越慢存储时间（ts）越长。IF/IR越高正向注入多（IF大）；反向抽取弱（IR小）存储时间（ts）越长。3.高频电力电子器件:掺入特殊杂质（金）或电子辐照，以缩短少子寿命。

当前34页，总共63页。第三章半导体二极管和晶体管第一节半导体二极管(Diode)第二节双极晶体管(BJT)第三节场效应晶体管(FET)当前35页，总共63页。第一节半导体二极管SemiconductorDiode当前36页，总共63页。第一节半导体二极管（PN结二极管；肖特基二极管）

二.PN结功率二极管:

1.击穿电压VB与正向压降VF相矛盾。单边结:轻掺杂区杂质浓度决定工作特性。

2.实际PN结不同于理想PN结。――需要表面处理。A.PN结边缘表面电场增大表面击穿电压VB减小二极管击穿电压降低。

B.PN结终端（表面）造型技术:台面磨角造型；加保护环。一.分段线性模型:（自学）当前37页，总共63页。当前38页，总共63页。正斜角:高掺杂区直径大于低掺杂区直径。在PN结磨角边缘低掺杂区空间电荷区展宽，使总的宽度增加，表面电场下降。适合于面积较大的硅功率二极管提高VB。（圆片工艺）负斜角:与之相反。保护环:适合于高压小功率二极管。使表面P+NPN。低掺杂区宽度大大增加表面电场降低表面电场小于体内电场。（方片工艺）当前39页，总共63页。3.高频二极管:开关瞬态特性。

A.正向恢复特性:（OFFON正向电压过冲）阻性机制:导通初，欧姆电阻大，导通充分后电导调制，电阻下降，管压降形成峰值压降UFP。感性机制:内部引线电感和di/dtUFP。

B.反向恢复特性:（ONOFF）正向导通时的少子注入（存储效应），使二极管瞬时反向电流较大。①tf:二极管上偏压反向时刻。②t0:正向电流变为反向电流的时刻。但UF保持为正，额外空穴密度差PN大于零。当前40页，总共63页。③t:UF变为负极性。（PN开始变负）④t1:反向恢复电流达最大值，IR

IRP，空间电荷区快速展宽，恢复反向阻断电压。此时di/dt=0。⑤t1—t2:产生反向过冲电压UR（外引线电感引起），此时di/dt0。⑥t2:反向电压过冲至最大值URP，di/dt→0。4.软恢复二极管:恢复系数S=（t2-t1）/（t1-t0），S愈大，特性愈软，过冲电压愈小。

快、软――好特性。当前41页，总共63页。当前42页，总共63页。当前43页，总共63页。当前44页，总共63页。四.稳压二极管:（齐纳二极管）硬击穿二极管可作为稳压二极管。软击穿不可选。温度系数:齐纳击穿型负温度系数。雪崩击穿型正温度系数。五.肖特基二极管:

1.欧姆接触:接触电阻小，且不随外加电压的变化而变化的线性接触。三.PIN二极管:（自学）当前45页，总共63页。当前46页，总共63页。2.肖特基效应:单向导电性。(非线性伏安特性)；金属半导体接触（其势垒叫肖特基势垒）。金属与N型半导体肖特基二极管中：金属为二极管的正极，N型半导体为负极。

3.与PN结的区别:

A.

多子器件（多子起决定作用），多子导电，无少子存储效应；开关速度仅受肖特基结电容的RC时间常数限制，反向恢复极快。

B.PN结的反向漏电流对温度敏感，而肖特基对温度不敏感，但原始漏电流大。

C.

肖特基正向压降很小，反向漏电流比PN结的大。

D.

肖特基的反向耐压不高。当前47页，总共63页。第二节双极晶体管(BJT)BipolarJunctionTransistor当前48页，总共63页。一.双极晶体管的基本结构:

PNP或NPN结构。电子和空穴同时参与导电，故为双极。它是一种电流控制型器件。由较小的基极电流控制其主电极传导的工作电流二.双极晶体管的基本工作原理:

1.PN结基础:反向饱和电流大小对反向偏压的变化不敏感。

2.PNP晶体管的共基极连线:集电结的反向偏置电流(集电极电流Ic）几乎不随

UBC而变化，但依赖于发射极电流IE的大小。第二节BJT（双极晶体管）

BipolarJunctionTransistor当前49页，总共63页。当前50页，总共63页。3.好的PNP晶体管条件:注入空穴的收集效率高(基区宽度小；空穴寿命长)；采用P+N结提高发射效率。(因为P+N结正向电流大部分是注入N区的空穴电流，电子流成分小）4.IE=IC+IB影响IB大小的因素:①基区复合电子流（以扩散方式从基区表面向体内运动---4。②基区向正偏PN结的发射区注入电子(由基极供给)---5，③集电结空间电荷区中的热产生电子空穴对被强反向电场分开，电子被扫入基区，补充IB复合，使IB需求减小---3。当前51页，总共63页。当前52页，总共63页。5.IB的微小变化控制发射结的偏置电压的微小变化

IE的（发射极正向电流）较大变化。三.双极晶体管的放大作用:

1.晶体管的共基极电流放大系数:

α＝IC/IE＝B。B为基区传输因子:反映空穴流通过基区复合受损失而达到变为IC的程度。

为发射极注入效率:反映PN结注入空穴与注入电子在IE中的比例。当前53页，总共63页。2.共基极接法:不能放大电流，能放大电压和功率。3.晶体管的共射极电流放大倍数（集电极对基极电流放大倍数）:

＝IC/IB＝α/(1－α)

当前54页，总共63页。4.的物理本质为:①假设发射极的注入效率为1，

IB注入基区的电子在基区存在时间≈N基区中空穴寿命p发射极注入基区的空穴度越基区时间t＜＜p为维持基区电中性,每注入p/t个空穴,才有一个在N基区复合,才需要从N基区输入一个补偿电子。(在时空上)②忽略集电极饱和电流，则＝p/t。

即IB的微小减小输入N基区电子数减小N基区出现正空间电荷增加发射极正偏压UEB降低空穴注入流IEP减小IC减小。即:IB中每增减一个电子，IC中就减少个空穴。即小电流控制大电流机理（放大）。

当前55页，总共63页。五.BJT的特性参数:1.极限参数:2.电特性参数:晶体管有三种工作状态：截止，放大，饱和。集电结反偏、发射结反偏或零偏为截止；集电结反偏、发射结正偏为放大状态；集电结正偏、发射结正偏为饱和状态；3.热特性参数:四.双极晶体管的静态工作特性:（自学）1.共基极特性:2.共发射极特性:3.共集电极特性:当前56页，总共63页。第三节场效应晶体管(FET)FieldEffectTransistor当前57页，总共63页。1.FET与BJT的区别:

FET是单极器件，多子导电。且是电压场控器件。2.FET的分类: