电力电子器件章.ppt

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1、电力电子器件章现在学习的是第1页，共65页一一.电路与器件的关系电路与器件的关系电路有:整流 AC DC，斩波 DC DC，逆变 DC AC，变频 AC AC，交流调压（通断与相位控制）用双向晶闸管实现。器件的发展:1930年 PN 结 1947年12月 23日:（PNP）BJT GTR MOS SCR GTO 器件的性能决定电路的性能，一代器件产生一代电路。现在学习的是第2页，共65页二二.电力电子器件概述电力电子器件概述 1.器件的种类器件的种类: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）BJT GTR（Darlington）FE

2、T JFET SIT(th)MOSFET VDMOS IGBTMCT(th)晶闸管（thyristor）SCR 特种派生器件 GTO MCT现在学习的是第3页，共65页2.工作状态工作状态:开关、相控。不能用于放大状态。3.器件参数器件参数:（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、工作原理、特点:结构决定性能。5.应用方法应用方法:（后续课:新型电力电子器件应用技术应用技术）驱动、缓冲、过流保护、测试、散热等。现在学习的是第4页，共65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

3、PN节原理现在学习的是第5页，共65页 第一节 半导体基础现在学习的是第6页，共65页1.电子器件电子器件 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。Si Ge Se GaAs SiC 二氧化硅SiO2 多。技术成熟，变化灵活。工作温度高。第一节 半导体基础现在学习的是第7页，共65页1.有电子和空穴两种载流子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

4、.漂移运动漂移运动: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）一一.半导体中的载流子半导体中的载流子:现在学习的是第8页，共65页现在学习的是第9页，共65页现在学习的是第10页，共65页4.本征半导体本征半导体: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

5、数载流子，少数载流子，多子器件，少子器件。6.杂质补偿：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。二二.能带论能带论:（不讲）载流子复合 本征激发（产生电子空穴对）现在学习的是第11页，共65页三三.本征半导体导电的热敏性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。现在学习的是第12页，共65页现在学习的是第13页，共65页 第二节 PN结原理现在学习的是第14页，共65页第二节 PN结原理1.PN结结:P型半导体与N型半导体的相同晶体结构的接合部2.产生方法产生方法:合金法，扩

6、散法，离子注入法，外延法。3.PN结的单相导电性。结的单相导电性。一一.平衡条件下的平衡条件下的PN结结:1.浓度梯度产生扩散运动。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。现在学习的是第15页，共65页3.内电场方向内电场方向:N P4.平面结平面结PN结（一维）。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。现在学习的是第16页，共65页现在学习的是第17页，共65页二二.偏

7、置条件下的偏置条件下的PN结结:1.正反偏置正反偏置: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U0UF，空间电荷区宽度变窄，净电流IF。反偏置:空间电荷区压降为U0UR，空间电荷区宽度变宽，净电流IR约为零。现在学习的是第18页，共65页现在学习的是第19页，共65页3.理想理想PN结结IV特性特性：单向导电性。电流密度：A）.正偏正偏PN结结: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

8、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。现在学习的是第20页，共65页现在学习的是第21页，共65页现在学习的是第22页，共65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).反偏反偏PN结结: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。现在学习的是第23页，共65页 产生电流:空间电荷区中热激发产生的电子

9、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。三三.PN结的穿通与击穿结的穿通与击穿:1.穿通穿通: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。现在学习的是第24页，共65页现在学习的是第25页，共65页3.两种点阵原子电离机制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

10、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。现在学习的是第26页，共65页齐纳击穿齐纳击穿:（重掺杂（重掺杂PN结中）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。四四.PN结的热效应结的热效应: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

11、）。现在学习的是第27页，共65页五五.PN结的电容结的电容:（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.平行板电容器平行板电容器:2.势垒电容势垒电容: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。势垒电容是可变电容，（因空间电荷区的宽度变化）。当外加电压大小，极性变化时，均有势垒电容充放电过程。现在学习的是第28页，共65页 3.扩散电容扩散电容: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

12、累越多。4.可变电容可变电容 用微分电容定义。偏压为U时的微分电容。六六.PN结的动态特性结的动态特性:(电容 过渡过程 IV特性）1.少子寿命少子寿命:注入额外少数载流子的平均生存时间（复合快慢)。复合几率复合几率:1/单个载流子在单位时间内所能得到的复合几率。现在学习的是第29页，共65页2.正向偏置的正向偏置的P+N型单边突变结型单边突变结: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

13、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。现在学习的是第30页，共65页现在学习的是第31页，共65页电导调制效应电导调制效应: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:现在学习的是第32页，共65页现在学习的是第33页，共65页存储时间ts、下降时间tf、反向恢复时间 toff=ts+tf。，

14、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。现在学习的是第34页，共65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)现在学习的是第35页，共65页 第一节 半导体二极管Semiconductor Diode现在学习的是第36页，共65页第一节 半导体二极管（PN结二极管；肖特基二极管）二二.PN结功率二极管结功率二极管:1.击穿电压击

15、穿电压VB与正向压降与正向压降VF相矛盾相矛盾。单边结:轻掺杂区杂质浓度决定工作特性。2.实际实际PN结不同于理想结不同于理想PN结结。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。一一.分段线性模型分段线性模型:（自学）现在学习的是第37页，共65页现在学习的是第38页，共65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。

16、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）现在学习的是第39页，共65页3.高频二极管高频二极管:开关瞬态特性开关瞬态特性。A.正向恢复特性正向恢复特性:（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/dt UFP。B.反向恢复特性反向恢复特性:（ON OFF）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。tf:二极管上偏压反向时刻。t0: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。现在学习的是第40页，共65页 t:UF

17、变为负极性。（PN开始变负）t1: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。t1 t2:产生反向过冲电压UR（外引线电感引起），此时di/dt 0。t2:反向电压过冲至最大值URP，di/dt0。4.软恢复二极管软恢复二极管: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。现在学习的是第41页，共65页现在学习的是第42页，共65页现在学习的是第43页，共65页现在学习的是第44页，共65页四四.稳压二极管稳压二极管:（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

18、温度系数。雪崩击穿型 正温度系数。五五.肖特基二极管肖特基二极管:1.欧姆接触欧姆接触:接触电阻小，且不随外加电压的变化 而变化的线性接触。三三.PIN二极管二极管:（自学）现在学习的是第45页，共65页现在学习的是第46页，共65页2.肖特基效应肖特基效应: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.与与PN结的区别结的区别: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

19、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。现在学习的是第47页，共65页 第二节 双极晶体管(BJT)Bipolar Junction Transistor现在学习的是第48页，共65页一一.双极晶体管的基本结构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二二.双极晶体管的基本工作原理双极晶体管的基本工作原理:1.PN结基础结基础: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晶体管的共基极连线:集电结的反向偏置电流(集

20、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）Bipolar Junction Transistor现在学习的是第49页，共65页现在学习的是第50页，共65页3.好的好的PNP晶体管条件晶体管条件: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:基区复合电子流（以扩散方式从基区表面 向体内运动-4。基区向正偏PN结的发射区注入电子(由基极供给)-5，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

21、扫入基区，补充IB复合，使IB需求减小-3。现在学习的是第51页，共65页现在学习的是第52页，共65页5.IB的微小变化的微小变化控制发射结的偏置电压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。的（发射极正向电流）较大变化。三三.双极晶体管的放大作用双极晶体管的放大作用:1.晶体管的共基极电流放大系数晶体管的共基极电流放大系数:IC/IEB。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。现在学习的是第53页，共65页2.共基极接法共基极接法:不能放大电流，能放大电压和功率。

22、3.晶体管的共射极电流放大倍数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/(1)现在学习的是第54页，共65页4.的的物理本质为物理本质为: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)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

23、流机理（放大）。现在学习的是第55页，共65页五五.BJT的特性参数的特性参数:1.极限参数极限参数:2.电特性参数电特性参数: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.热特性参数热特性参数:四四.双极晶体管的静态工作特性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:现在学习的是第56页，共65页 第三节 场效应晶体管(FET)Field Effect Transistor现在学习的是第57页，共65页1.FET与与BJT的区别的区别:FET是单极器

24、件，多子导电。且是电压场控器件。2.FET的分类的分类:JFET（结型场效应晶体管），IGFET或MOSFET（绝缘栅型场效应晶体管），MESFET（金属半导体场效应晶体管）。3.FET的优点的优点:工作频率高，输入阻抗高，工作温度高，热稳定性好。第三节 FET（场效应晶体管）Field Effect Transistor现在学习的是第58页，共65页一一.JFET（结型场效应晶体管）结型场效应晶体管）:(一一).JFET的结构的结构:门极（Gate），漏极（Drain），源极（Source）。N沟道:电子为多数载流子的沟道。P沟道:空穴为多数载流子的沟道。JFET常采用N沟道。(二二).JF

25、ET的工作原理和特性的工作原理和特性:（长沟器件）1.基本工作原理基本工作原理:（原控电阻调电流大小）栅沟结偏压改变空间电荷区扩展程度改变 沟道截面大小改变沟道电阻大小改变 漏极电流ID改变。现在学习的是第59页，共65页现在学习的是第60页，共65页上述变化的极端是顶部空间电荷区和底部空间电荷区的内平面在沟道中部结合在一起，称为导电沟道被夹断，此时ID0。2.工作特性工作特性:与材料参数和结构参数的关系很大。材料参数指沟道材料的性质和杂质浓度；结构参数指沟道的长宽比。输出特性曲线:以栅压UG为参变量的漏极电流ID 随漏源电压UDS变化的曲线。转移特性曲线:以漏源电压UDS为参变量的漏极电流

26、随栅压UG变化的曲线。现在学习的是第61页，共65页现在学习的是第62页，共65页3.JFET的输出特性曲线的输出特性曲线:四个特性段：线性区，过渡区，饱和区，击穿区。JFET导电沟道的宽度受UG和UDS双重控制，是不均匀的:因为栅区为等位区（高掺浓度）；沟道区有ID时，呈电位梯度（轻掺杂）。线性区:等截面沟道）UDS0，IDS0栅沟结反偏置均匀，沟道截面均，沟道电阻保持不变，呈线性常值电阻，IDUDS曲线线性变化。现在学习的是第63页，共65页过渡区:（拐弯部分 契形沟道）ID增大沟道电位梯度增大UD大于US 栅沟道反压大于栅沟道正压（UGDUGS）从栅极到漏极，空间电荷区增大，沟道截面 减小沟道电阻增大ID偏离线性区域。饱和区:由于UDS增加，空间电荷区闭合，使导电沟道 漏端被局部夹断，此时dUDS/dID趋于无穷大，ID UDS曲线近似与UDS轴平行。ID不为零 电子进入空间电荷区中，被强电场扫入漏区。现在学习的是第64页，共65页雪崩击穿区:UDS的继续增大使电场越来越强 空间电荷区中载流子倍增导致雪崩电离效应 ID陡然增大进入雪崩击穿区。4.JFET实用于饱和区实用于饱和区（放大区）。随栅压的升高沟道变薄饱和区的 起始电压和终止电压会降低。5.JFET的特性参数的特性参数:饱和电流，跨导，夹断电压等。现在学习的是第65页，共65页