功率半導體器件學習筆記

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2022-11-21 18:39:32 916

*代半導體Si基

二極管

簡介：單個PN結結構，導通和斷開兩種狀態，不具備放大，單向導通；? 無外部電流、電壓控制，就是0和1的狀態，電壓電流較小。

應用：各種電子設備，工業設備。

晶體管：BJT

簡介：背靠背的PN結結構，通過電流驅動實現線性放大功能，具有放大工作區域，能夠實現電流放大作用；耐壓較高，導通電子較低，能放大電流，但是有拖尾電流，限制了開關速度。

應用：放大器電路、驅動揚聲器、電動機等。

電壓及頻率： 20-1700V，≤20kHz。

晶體管：MOSFET

簡介：單個MOS管子，載流子數量相對IGBT要少、耗盡層區域小，所以耐壓較低；單個結構，載流子少，耗盡層區域小也使得其電流拖尾效應小，因此頻率更高，開關速度更快。

頻率：100-1000KHz。

平面型MOSFET:

電壓及頻率：100-500V：中低壓，低頻。

溝槽型MOSFET：

電壓及頻率：12-250V：低壓，高頻。

超結型MOSFET：

電壓及頻率：500-900V：高壓，高頻。

屏蔽柵MOSFET：

電壓及頻率：30-300V：中低壓，高頻。

電壓及應用：中低壓＜500V

20-100V：手機、數碼相機、電動自行車；
110-500V：LCD顯示器、電熱水器、背投電視

高壓：＞500V
500-800V：車燈、電源、電極控制
800-1000V：電焊機、變頻器
＞1000V：高壓變頻器、發電設備

技術演變過程

朝著高壓、高頻發展，器件的小型化提高了工作頻率，降低了導通電子，提高了開關速率，工藝提升保證了降低芯片面積的同時提高了耐壓特性；

IGBT

簡介：IGBT是由MOSFET和BJT兩個結構串聯形成的器件，其中載流子數量會更多，耗盡層區域更大，能夠承受更高的電壓閾值；載流子的增多、耗盡層區域的增大使得電流的拖尾效應增強，所以開關的速度和頻率更低。

頻率＜100KHz。

分類：穿透，非穿透，場截止，平面柵，溝槽柵。

電壓及應用：超低壓IGBT：小于600V，內燃機點火器、數碼相機等消費電子；低壓IGBT：600-1350V，新能源汽車、UPS電源、白色家電、電焊機、工業變頻器、太陽能電池；中壓IGBT：1400-2500V，地鐵、城軌電極驅動、太陽能電池；高壓IGBT：2500-6500V，軌道牽引、智能電網、大型工業設備。

技術演變過程：

朝著高壓、低功耗的方向不斷發展

晶閘管

簡介：晶閘管不具備放大功能，兩個同向的PN結是沒有線性放大工作區域的，只有導通、關斷的功能；體積小、耐高壓，但是需要額外的關斷電路。

應用：UPS電源、電焊機、變頻器等。

電壓及頻率：100-3000V，≤10kHz。

價格

單管價格

? IGBT

? 二極管

? 三極管

? MOSFET

器件價格

從MOSFET、晶閘管、二極管等各類功率器件來看，東微半導定價最高，達到2.84元/顆。這主要來源于其在高壓超級結MOSFET、中低壓溝槽柵MOSFET以及超級硅MOSFET等主營產品上的技術*優勢，以及在新能源車、光伏等領域的應用優勢。

第三代半導體SiC器件

SBD：Schottky barrier diode ，肖特基二極管

SiC 肖特基二極管的主要優勢在于其正向壓降低，有助于降低通態損耗；同時它作為單極型器件，無少子存儲和反向恢復現象，可以實現較高的開關頻率，有助于充分發揮 SiC件的優勢。所以在中低電壓、中小電流、中高頻的（600~3000 V、5~20 A、150~200 kHz）的應用場合，SiC肖特基二極管迅速取代了Si FRD。肖特基結構的主要問題是由于其勢壘高度較低，且存在鏡像力勢壘降低效應，所以其反向漏電流較大，且隨反向電壓增加，擊穿特性較弱。

在實際應用中，肖特基二極管的設計存在正向壓降和反向漏電之間的權衡取舍。對于純肖特基二極管而言，這只能通過選取不同的金屬種類來實現。使用接觸勢壘較高的金屬（如 Ni），可以實現較小的漏電流，但是正向導通壓降將會增加；使用接觸勢壘較低的金屬（如 Ti），可以實現較低的正向壓降，但是反向漏電將會增加。

考慮到勢壘釘扎效應的影響，實際上不同金屬種類之間的勢壘差比金屬功函數更小，改變金屬種類對器件性能的影響并不顯著

應用方向：中低電壓、中小電流、中高頻的（ 600~3000 V、 5~20 A、 150~200 kHz）的應用場合

JBS：Junction barrier Schottky diode，結勢壘肖特基二極管

為了給器件設計增加更多的自由度，在不顯著惡化正向導通性能的情況下抑制反向漏電。

在 JBS 二極管中，陽極金屬下方的肖特基接觸部分和 P+區部分交錯排列。在正偏時，僅有肖特基接觸部分參與導電，器件的特性類似純肖特基二極管；在反偏時，肖特基結兩側的 P+區和 N-外延層構成的 P+/N-結形成的耗盡區相互接觸，對肖特基接觸形成了屏蔽，顯著降低了其下方的電場強度，從而降低了漏電流。通過改變 P+區和肖特基區的尺寸，在保持肖特基金屬不變的前提下，很容易地調節器件的正向和反向特性；同時， JBS 二極管還保留了純肖特基二極管單極性導通、開關速度快的優勢，所以 JBS 二極管很快就代替了純肖特基二極管，成為了 Si 肖特基二極管的主要形式。

SiC JBS 二極管和純肖特基二極管一樣，幾乎沒有反向恢復過程，非常適合高頻應用。

應用方向：在 600~3500 V 范圍內最常用。

MPS：Merged PiN Schottky

在各種可靠性性能中，抗浪涌電流沖擊能力是非常重要的一個可靠性指標。抗浪涌電流沖擊能力指的是器件承受大電流脈沖的能力。當浪涌電流出現時，大電流脈沖流過器件，產生相應的電壓降，進而產生較大的發熱功率，導致器件的溫度在短時間內急劇上升，最終可能使得器件內部某部分材料被燒毀，導致器件失效。具有高浪涌可靠性的器件能平穩度過大電流脈沖，不發生失效和明顯的特性退化，有助于提高整個系統的可靠性。為了提高器件的浪涌可靠性，在 JBS 二極管的基礎上提出了 MPS (Merged PiN Schottky)二極管。

在 MPS 二極管中，除了小尺寸 P+區外，還有用于提高器件浪涌可靠性的大尺寸P+區。其中小 P+區的作用和 JBS 二極管中的 P+區完全相同，而大 P+區的作用在于提高器件在大電流下的導通能力。在大電流下，大 P+區對應的 PN 結將會開啟，并向器件的漂移區注入少數載流子；由此產生的電導調制效應將會極大地降低器件的電阻。MPS 二極管的概念和 JBS 二極管從器件的結構特征來說，并沒有本質的區別，都是 P+區與肖特基區的交替排列。區別在于其工作模式：在 JBS 二極管中， P+區僅僅在器件處于反偏時屏蔽高電場，以減小肖特基結處的漏電，在器件處于正偏時并不起作用；在 MPS 二極管中， P+區在器件處于反偏時起到相同的作用，同時在器件處于正偏且正偏電壓較大時，同樣會參與導電，以提高器件雙極導通能力。

與Si相比，由于 SiC 材料相比 Si 材料有著更高的擊穿場強，因此 SiC 肖特基二極管可以用薄得多的外延層實現相同的耐壓。在正常導通時， SiC 肖特基二極管的壓降天然就比 Si 肖特基二極管小，無需使器件進入雙極導通狀態。所以 SiC MPS 二極管中的 P+區逐漸變成了僅在大電流下導通、增強器件浪涌可靠性的手段。

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