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2019-07-24

福德正神率器件焊膏清洗合明科技分享:半导体功率器件分类

发布者:合明科技Unibright ; 浏览次数:180

半导体功率器件焊膏清洗合明科技分享:半导体功率器件分类

文章来源: 半导体功率器件,作者:Jon_Vivid 半导体功率器件 

1958年美国通用电气(GE)公司研发出世界上第一个工业用普通晶闸管,标志着电力电子技术的诞生。从此半导体功率器件的研制及应用得到了飞速发展。

半导体功率器件根据功能分,可以分为三类:不可控、半控型、全控型。

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一、不可控功率器件

  • 功率整流二极管是以半导体PN结为基础的,实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。

  • 快恢复二极管采用外延型PiN结构,其反向恢复时间短(可低于50ns),正向压降也很低(0.9V左右)。

  • 肖特基二极管是用金属(Ti、Ni等)代替了PN结中的P型半导体,为多子器件,具有更低的正向压降和更好的开关特性,反向恢复时间很短(10~40ns),有利于控制开关损耗,但耐压较低一般低于200V,且反向漏电较大对温度敏感。

  • 符号及电性特征


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二、半控型功率器件

  • 晶闸管(Thyristor)是晶体闸流管的简称,又称可控硅整流器,以前简称为可控硅;1957年美国通用电气公司开发出世界上第一款晶闸管产品,并于1958年将其商业化;晶闸管是PNPN四层半导体结构,它有三个极:阳极,阴极和控制极;晶闸管具有硅整流器件的特性,能在高电压、大电流条件下工作,且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

  • 符号、结构及工作原理

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  • 福德正神受反向阳极电压时,不管门极承受何种电压,晶闸管都处于反向阻断状态。

  • 晶闸管承受正向阳极电压时,仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。这时晶闸管处于正向导通状态,这就是晶闸管的闸流特性,即可控特性。

  • 晶闸管在导通情况下,只要有一定的正向阳极电压,不论门极电压如何,晶闸管保持导通,即晶闸管导通后,门极失去作用。门极只起触发作用。

  • 晶闸管在导通情况下,当主回路电压(或电流)减小到接近于零时,晶闸管关断。或加一反向电压,并保持一段时间使其强迫关断。

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三、全控型器件

a).功率晶体管(GTR,巨型晶体管)、双极结型晶体管(BJT)

      i. 功率晶体管(Giant Transistor--GTR,巨型晶体管)、双极结型晶体管(BipolarJunction Transistor--BJT),这两类三极管在半导体功率器件是等效的,在20世纪80年代,在中、小功率范围内取代了晶闸管,但随着MOSFET、IGBT的发展,逐渐被替代。

      ii. 一种电流控制的双极双结大功率、高反压电力电子器件,具有自关断能力,产生于上个世纪70年代,其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具备晶体管饱和压降低、开关时间短和安全工作区宽等固有特性,又增大了功率容量,因此,由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短,在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。GTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。

      iii. 和普通三极管一样,他有三个极:发射极e (Emitter)、基极b (Base)和集电极c (Collector)。

      iv. 结构及工作原理


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以图中NPN型的三极管为例,当基极通入正电流Ib时,N+P结正偏,基区就会流入大量的电子。同时,该基极电流Ib不仅使发射极电流增大,而且P基区的电子在阻断的基极-集电极结方向上有很高的载流子浓度梯度,这些电子会扩散进入低掺杂的N-层。如果加一个电场,这些电子就会被电场加速流向集电极。即Ib的电流被放大。

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b).福德正神断晶闸管(GTO)

   i.GTO(Gate-Turn-Off Thyristor)是门极可关断晶闸管的简称,他是晶闸管的一个衍生器件。但可以通过门极施加负的脉冲电流使其关断,他是全控型器件。

   ii.GTO和普通晶闸管一样,是PNPN四层半导体结构,外部也是引出阳极.阴极和门极。但和普通晶闸管不同的是,GTO是一种多元的功率集成器件。虽然外部同样引出三个极,但内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO单元,这些GTO单元的阴极和门极在器件内部并联,他是为了实现门极控制关断而设计的。

   iii.具体结构及工作原理见“晶闸管”章节。

c).功率场效应晶体管(MOSFET)

   i.功率MOS场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的MOS型(Metal Oxide Semiconductor FET),简称功率MOSFET(Power MOSFET)。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管(Static Induction Transistor——SIT)。其特点是用栅极电压来控制漏极电流,驱动电路简单,需要的驱动功率小,开关速度快,工作频率高(最高可达到1MHz),热稳定性优于GTR,但其电流容量小,耐压低,一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。

   ii.结构及工作原理


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截止:漏源极间加正电源,栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结反偏,漏源极之间无电流流过。

   导电:在栅源极间加正电压Ugs,栅极是绝缘的,所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开,而将P区中的少子—电子吸引到栅极下面的P区表面,当Ugs大于Uth(开启电压或阈值电压)时,栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度,使P型半导体反型成N型而成为反型层,该反型层形成N沟道而使PN结消失,漏极和源极导电。


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d).绝缘栅双极晶体管(IGBT)

    i.MOSFET具有开关速度快,电压控制的优点,缺点是导通电压降稍大,电流、电压容量不大;双极型晶体管却与它的优点、缺点互异。因而产生了使它们复合的思想;控制时有MOSFET管的特点,导通时具有双极型晶体管特点,这就产生IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)管研制的动机,该管称为绝缘栅双极晶体管,但因为有晶体管的特性,他的工作频率大大降低。

    ii.N沟道VDMOSFET与GTR组合形成N沟道IGBT(N-IGBT)IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区,形成了一个大面积的P+N结。使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子,从而对漂移区电导率进行调制,使得IGBT具有很强的通流能力。

    iii.结构、符号及工作原理。


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IGBT的开通和关断是由门极电压来控制的。当门极加正电压时,MOSFET内形成沟道,并为PNP晶体管提供基极电流,从而使IGBT导通。因此IMOS为IGBT总电流的主要部分。此时,空穴P+区注入到N-区,从而在N-区内产生高浓度的电子,减小了N-区的电阻Rd值,使高耐压的IGBT也具有低的通态压降。

当门极加负电压时,MOSFET内的沟道消失,PNP晶体管的基极电流被切断,IGBT即被关断。由于注入到N-区的空穴是少子,存在少子存储现象。N-区的少子需要时间复合消失,因此IGBT的开关速度比MOSFET慢。

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通过本文的介绍,相信大家对半导体功率器件有个大概的了解了。最后汇总下半控型和全控型功率器件的特性,见下表。

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以上一文,仅供参考!


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