電力電子器件章演示文稿

電力電子器件章演示文稿當(dāng)前1頁，總共63頁。優(yōu)選電力電子器件章當(dāng)前2頁，總共63頁。二.電力電子器件概述

1.器件的種類:二極管（diode）普通二極管、快恢復(fù)二極管、肖特基二極管、穩(wěn)壓二極管。晶體管（transistor）BJTGTR（Darlington）FETJFETSIT(th)MOSFETVDMOSIGBTMCT(th)晶閘管（thyristor）SCR

特種派生器件

GTOMCT當(dāng)前3頁，總共63頁。2.工作狀態(tài):開關(guān)、相控。不能用于放大狀態(tài)。3.器件參數(shù):（選用器件的基礎(chǔ)）耐壓、電流容量、開關(guān)時(shí)間、

di/dt及dv/dt耐量、二極管反向恢復(fù)特性、驅(qū)動(dòng)觸發(fā)特性、熱特性。4.結(jié)構(gòu)、工作原理、特點(diǎn):結(jié)構(gòu)決定性能。5.應(yīng)用方法:（后續(xù)課:新型電力電子器件應(yīng)用技術(shù)）驅(qū)動(dòng)、緩沖、過流保護(hù)、測(cè)試、散熱等。當(dāng)前4頁，總共63頁。第二章半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)第一節(jié)半導(dǎo)體基礎(chǔ)第二節(jié)PN節(jié)原理當(dāng)前5頁，總共63頁。第一節(jié)半導(dǎo)體基礎(chǔ)當(dāng)前6頁，總共63頁。1.電子器件半導(dǎo)體器件（體積小，重量輕，功耗?。┱婵展芷骷?.為何用半導(dǎo)體做電力電子器件？導(dǎo)體，半導(dǎo)體，絕緣體半導(dǎo)體特性隨其組分而敏感變化。半導(dǎo)體特性隨熱、光、磁而變化。半導(dǎo)體有兩種載流子。

材料多。SiGeSeGaAs

SiC

二氧化硅SiO2

多。技術(shù)成熟，變化靈活。工作溫度高。第一節(jié)半導(dǎo)體基礎(chǔ)當(dāng)前7頁，總共63頁。1.有電子和空穴兩種載流子。

載流子電子自由電子；空穴束縛電子的空缺施主雜質(zhì)，受主雜質(zhì)，N型半導(dǎo)體，P型半導(dǎo)體，空穴。

2.漂移運(yùn)動(dòng):

電場(chǎng)為零，電子與空穴雜亂無章。電場(chǎng)不為零，電子與空穴作定向漂移運(yùn)動(dòng)。遷移率：載流子在單位電場(chǎng)中的漂移速度。

3.空穴和電子相對(duì)運(yùn)動(dòng):空穴順電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，電子逆電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)。電子的遷移率大于空穴的遷移率。（束縛電子運(yùn)動(dòng)空穴運(yùn)動(dòng)；自由電子運(yùn)動(dòng)電子運(yùn)動(dòng)）一.半導(dǎo)體中的載流子:當(dāng)前8頁，總共63頁。當(dāng)前9頁，總共63頁。當(dāng)前10頁，總共63頁。4.本征半導(dǎo)體:未摻雜質(zhì)，電子密度與空穴密度相等。本征激發(fā)5.摻雜:增加電子或空穴密度。摻雜濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本征濃度。

P型:空穴濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子濃度；

N型:電子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴濃度。多數(shù)載流子，少數(shù)載流子，多子器件，少子器件。6.雜質(zhì)補(bǔ)償：通過摻雜相互補(bǔ)充。

N、P類型轉(zhuǎn)化，但總摻雜濃度增高遷移率降低。二.能帶論:（不講）載流子復(fù)合本征激發(fā)（產(chǎn)生電子空穴對(duì)）當(dāng)前11頁，總共63頁。三.本征半導(dǎo)體導(dǎo)電的熱敏性:本征激發(fā)敏感于溫度T。本征硅半導(dǎo)體的溫度穩(wěn)定性差，非本征硅半導(dǎo)體的溫度穩(wěn)定性好。不同元素的溫度范圍不同。

當(dāng)前12頁，總共63頁。當(dāng)前13頁，總共63頁。第二節(jié)PN結(jié)原理當(dāng)前14頁，總共63頁。第二節(jié)PN結(jié)原理1.PN結(jié):

P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體的相同晶體結(jié)構(gòu)的接合部2.產(chǎn)生方法:合金法，擴(kuò)散法，離子注入法，外延法。3.PN結(jié)的單相導(dǎo)電性。一.平衡條件下的PN結(jié):

1.濃度梯度產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。

2.帶電粒子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)破壞電中性條件。

PN結(jié)處濃度梯度擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)空間電荷區(qū)

空間電場(chǎng)漂移運(yùn)動(dòng)阻止進(jìn)一步擴(kuò)散。漂移流與擴(kuò)散流相反方向。漂移運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)前15頁，總共63頁。3.內(nèi)電場(chǎng)方向:

NP4.平面結(jié)PN結(jié)（一維）。突變結(jié)接觸勢(shì)壘:空間電荷區(qū)主要向輕摻雜一側(cè)展開，外加電壓主要加在輕摻雜一側(cè)。當(dāng)前16頁，總共63頁。當(dāng)前17頁，總共63頁。二.偏置條件下的PN結(jié):1.正反偏置:空間電荷區(qū)承擔(dān)電壓假設(shè)。即PN結(jié)承擔(dān)全部外加電壓。方向的設(shè)定:P正，N負(fù)為正偏置；

P負(fù)，N正為反偏置。2.零偏置:空間電荷區(qū)壓降為U0，

空間電荷區(qū)寬度為W0，凈電流為零。正偏置:空間電荷區(qū)壓降為U0－UF，

空間電荷區(qū)寬度變窄，凈電流IF。

反偏置:空間電荷區(qū)壓降為U0＋UR，

空間電荷區(qū)寬度變寬，凈電流IR約為零。當(dāng)前18頁，總共63頁。當(dāng)前19頁，總共63頁。3.理想PN結(jié)I─V特性：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦浴ｋ娏髅芏龋篈）.正偏PN結(jié):正偏空間電場(chǎng)減小擴(kuò)散大于漂移少子注入（持續(xù)穩(wěn)定，少子積累和少子復(fù)合)少子積累和復(fù)合形成少子濃度梯度。中性區(qū)多子漂移與中性區(qū)邊界附近的注入少子擴(kuò)散流復(fù)合未復(fù)合的多子經(jīng)過空間電荷區(qū)擴(kuò)散變?yōu)榱硪恢行詤^(qū)的少子繼續(xù)擴(kuò)散與另一中性區(qū)的多子漂移相復(fù)合當(dāng)注入少子全部被復(fù)合時(shí):擴(kuò)散電流漂移電流。當(dāng)前20頁，總共63頁。當(dāng)前21頁，總共63頁。當(dāng)前22頁，總共63頁。電流連續(xù)性:總正向電流＝電子電流＋空穴電流。任一截面上總電流密度相等。（擴(kuò)散流＋漂移流＝恒值）B).反偏PN結(jié):反偏空間電場(chǎng)增大漂移大于擴(kuò)散中性區(qū)PN結(jié)邊界處少子被強(qiáng)電場(chǎng)抽取至另一中性區(qū)原中性區(qū)的遠(yuǎn)邊界處少子向PN結(jié)邊界擴(kuò)散形成反向飽和電流。當(dāng)前23頁，總共63頁。產(chǎn)生電流:空間電荷區(qū)中熱激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，來不及復(fù)合被強(qiáng)電場(chǎng)分開而形成的電流。反壓越高，產(chǎn)生電流越大。三.PN結(jié)的穿通與擊穿:

1.穿通:

PN結(jié)的反向電壓使空間電荷區(qū)展寬而接近電極的短路。單邊結(jié)P+N的穿通電壓為:

2.PN結(jié)擊穿:空間電荷區(qū)中點(diǎn)陣原子的電離，直接產(chǎn)生大量的電子和空穴，提供少子抽取源,使反向電流大大增加。當(dāng)前24頁，總共63頁。當(dāng)前25頁，總共63頁。3.兩種點(diǎn)陣原子電離機(jī)制:雪崩擊穿←載流子倍增；齊納擊穿←→隧道擊穿。

雪崩擊穿電壓:

PN結(jié)加反向電壓時(shí)，其空間電荷區(qū)的峰值電場(chǎng)超過其臨界電場(chǎng)時(shí)，載流子在空間電荷區(qū)中漂移具有很高的動(dòng)能，與其點(diǎn)陣原子碰撞電離，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，被強(qiáng)電場(chǎng)分開，并再次碰撞點(diǎn)陣原子電離，產(chǎn)生更多的電子空穴對(duì)（雪崩增加），反向電流大大增加。

影響雪崩擊穿的因素:空間電場(chǎng)的強(qiáng)弱；空間電荷區(qū)的寬度（輕摻雜區(qū)）；雪崩擊穿的電壓隨輕摻雜區(qū)雜質(zhì)濃度的升高而下降。當(dāng)前26頁，總共63頁。齊納擊穿:（重?fù)诫sPN結(jié)中）重?fù)诫s空間電荷區(qū)擴(kuò)展不開，但空間電場(chǎng)強(qiáng)使點(diǎn)陣原子直接電離發(fā)生隧道渡越反向電流急劇增加。四.PN結(jié)的熱效應(yīng):

PN結(jié)的正向電壓（通態(tài)壓降）是溫度的函數(shù)。小電流密度時(shí)，負(fù)溫度系數(shù)（溫度越高，通態(tài)壓降越?。?；大電流密度時(shí)，正溫度系數(shù)（溫度越高，通態(tài)壓降越高）。當(dāng)前27頁，總共63頁。五.PN結(jié)的電容:（勢(shì)壘電容，擴(kuò)散電容）

PN結(jié)的電容使二極管整流有一定頻率限制。

1.平行板電容器:

2.勢(shì)壘電容:空間電荷區(qū)==載流子的勢(shì)壘區(qū)。正偏壓空間電荷區(qū)變窄充電。（P型，充空穴中和負(fù)離子；

N型，充電子中和正離子）。反偏壓空間電荷區(qū)變寬放電。①勢(shì)壘電容是可變電容，（因空間電荷區(qū)的寬度變化）。②當(dāng)外加電壓大小，極性變化時(shí)，均有勢(shì)壘電容充放電過程。當(dāng)前28頁，總共63頁。

3.擴(kuò)散電容:在空間電荷區(qū)外的中性區(qū)的近邊界層中，當(dāng)正偏壓變化時(shí)少子注入受擴(kuò)散速度限制而形成積累形成少子濃度梯度。當(dāng)正偏壓增大時(shí)少子注入增多積累越多。

4.可變電容→用微分電容定義。偏壓為U時(shí)的微分電容。六.PN結(jié)的動(dòng)態(tài)特性:

(電容過渡過程

I－V特性）

1.少子壽命:τ注入額外少數(shù)載流子的平均生存時(shí)間（復(fù)合快慢)。

復(fù)合幾率:1/τ單個(gè)載流子在單位時(shí)間內(nèi)所能得到的復(fù)合幾率。當(dāng)前29頁，總共63頁。2.正向偏置的P+N型單邊突變結(jié):假設(shè)1:N區(qū)足夠長(zhǎng)，使P注入少子空穴最終全被復(fù)合，不能擴(kuò)散至N電極。假設(shè)2:N區(qū)電子對(duì)P+區(qū)無注入。結(jié)論1:

P+N結(jié)正偏，P向N注入空穴，在N區(qū)形成少子（額外載流子）積累，由于N區(qū)的電子復(fù)合而形成少子濃度梯度，隨著正向電流上升，注入空穴積累增多，濃度梯度變緩，少子遍布大部分N區(qū)（原來為高阻區(qū)），使N區(qū)電阻率下降→電導(dǎo)調(diào)制。當(dāng)前30頁，總共63頁。當(dāng)前31頁，總共63頁。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng):正偏PN結(jié)注入的額外載流子濃度（少子），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于被注入?yún)^(qū)的平衡少子濃度，使該區(qū)電阻率下降。結(jié)論2:正偏穩(wěn)態(tài)P+N結(jié)突然反偏:大量的少子因反向而形成瞬時(shí)大反向電流，（強(qiáng)空間電場(chǎng)對(duì)少子抽取），少子被抽取至平衡濃度時(shí)，大的反向電流恢復(fù)至反向飽和電流值I0。

P+N結(jié)由正偏至反偏關(guān)斷的I-V瞬態(tài)曲線:當(dāng)前32頁，總共63頁。當(dāng)前33頁，總共63頁。存儲(chǔ)時(shí)間ts、下降時(shí)間tf、反向恢復(fù)時(shí)間toff=ts+tf。，N區(qū)中少子空穴壽命（p）越長(zhǎng)少子復(fù)合消失越慢存儲(chǔ)時(shí)間（ts）越長(zhǎng)。IF/IR越高正向注入多（IF大）；反向抽取弱（IR?。┐鎯?chǔ)時(shí)間（ts）越長(zhǎng)。3.高頻電力電子器件:摻入特殊雜質(zhì)（金）或電子輻照，以縮短少子壽命。

當(dāng)前34頁，總共63頁。第三章半導(dǎo)體二極管和晶體管第一節(jié)半導(dǎo)體二極管(Diode)第二節(jié)雙極晶體管(BJT)第三節(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)當(dāng)前35頁，總共63頁。第一節(jié)半導(dǎo)體二極管SemiconductorDiode當(dāng)前36頁，總共63頁。第一節(jié)半導(dǎo)體二極管（PN結(jié)二極管；肖特基二極管）

二.PN結(jié)功率二極管:

1.擊穿電壓VB與正向壓降VF相矛盾。單邊結(jié):輕摻雜區(qū)雜質(zhì)濃度決定工作特性。

2.實(shí)際PN結(jié)不同于理想PN結(jié)。――需要表面處理。A.PN結(jié)邊緣表面電場(chǎng)增大表面擊穿電壓VB減小二極管擊穿電壓降低。

B.PN結(jié)終端（表面）造型技術(shù):臺(tái)面磨角造型；加保護(hù)環(huán)。一.分段線性模型:（自學(xué)）當(dāng)前37頁，總共63頁。當(dāng)前38頁，總共63頁。正斜角:高摻雜區(qū)直徑大于低摻雜區(qū)直徑。在PN結(jié)磨角邊緣低摻雜區(qū)空間電荷區(qū)展寬，使總的寬度增加，表面電場(chǎng)下降。適合于面積較大的硅功率二極管提高VB。（圓片工藝）負(fù)斜角:與之相反。保護(hù)環(huán):適合于高壓小功率二極管。使表面P+NPN。低摻雜區(qū)寬度大大增加表面電場(chǎng)降低表面電場(chǎng)小于體內(nèi)電場(chǎng)。（方片工藝）當(dāng)前39頁，總共63頁。3.高頻二極管:開關(guān)瞬態(tài)特性。

A.正向恢復(fù)特性:（OFFON正向電壓過沖）阻性機(jī)制:導(dǎo)通初，歐姆電阻大，導(dǎo)通充分后電導(dǎo)調(diào)制，電阻下降，管壓降形成峰值壓降UFP。感性機(jī)制:內(nèi)部引線電感和di/dtUFP。

B.反向恢復(fù)特性:（ONOFF）正向?qū)〞r(shí)的少子注入（存儲(chǔ)效應(yīng)），使二極管瞬時(shí)反向電流較大。①tf:二極管上偏壓反向時(shí)刻。②t0:正向電流變?yōu)榉聪螂娏鞯臅r(shí)刻。但UF保持為正，額外空穴密度差PN大于零。當(dāng)前40頁，總共63頁。③t:UF變?yōu)樨?fù)極性。（PN開始變負(fù)）④t1:反向恢復(fù)電流達(dá)最大值，IR

IRP，空間電荷區(qū)快速展寬，恢復(fù)反向阻斷電壓。此時(shí)di/dt=0。⑤t1—t2:產(chǎn)生反向過沖電壓UR（外引線電感引起），此時(shí)di/dt0。⑥t2:反向電壓過沖至最大值URP，di/dt→0。4.軟恢復(fù)二極管:恢復(fù)系數(shù)S=（t2-t1）/（t1-t0），S愈大，特性愈軟，過沖電壓愈小。

快、軟――好特性。當(dāng)前41頁，總共63頁。當(dāng)前42頁，總共63頁。當(dāng)前43頁，總共63頁。當(dāng)前44頁，總共63頁。四.穩(wěn)壓二極管:（齊納二極管）硬擊穿二極管可作為穩(wěn)壓二極管。軟擊穿不可選。溫度系數(shù):齊納擊穿型負(fù)溫度系數(shù)。雪崩擊穿型正溫度系數(shù)。五.肖特基二極管:

1.歐姆接觸:接觸電阻小，且不隨外加電壓的變化而變化的線性接觸。三.PIN二極管:（自學(xué)）當(dāng)前45頁，總共63頁。當(dāng)前46頁，總共63頁。2.肖特基效應(yīng):單向?qū)щ娦浴?非線性伏安特性)；金屬半導(dǎo)體接觸（其勢(shì)壘叫肖特基勢(shì)壘）。金屬與N型半導(dǎo)體肖特基二極管中：金屬為二極管的正極，N型半導(dǎo)體為負(fù)極。

3.與PN結(jié)的區(qū)別:

A.

多子器件（多子起決定作用），多子導(dǎo)電，無少子存儲(chǔ)效應(yīng)；開關(guān)速度僅受肖特基結(jié)電容的RC時(shí)間常數(shù)限制，反向恢復(fù)極快。

B.PN結(jié)的反向漏電流對(duì)溫度敏感，而肖特基對(duì)溫度不敏感，但原始漏電流大。

C.

肖特基正向壓降很小，反向漏電流比PN結(jié)的大。

D.

肖特基的反向耐壓不高。當(dāng)前47頁，總共63頁。第二節(jié)雙極晶體管(BJT)BipolarJunctionTransistor當(dāng)前48頁，總共63頁。一.雙極晶體管的基本結(jié)構(gòu):

PNP或NPN結(jié)構(gòu)。電子和空穴同時(shí)參與導(dǎo)電，故為雙極。它是一種電流控制型器件。由較小的基極電流控制其主電極傳導(dǎo)的工作電流二.雙極晶體管的基本工作原理:

1.PN結(jié)基礎(chǔ):反向飽和電流大小對(duì)反向偏壓的變化不敏感。

2.PNP晶體管的共基極連線:集電結(jié)的反向偏置電流(集電極電流Ic）幾乎不隨

UBC而變化，但依賴于發(fā)射極電流IE的大小。第二節(jié)BJT（雙極晶體管）

BipolarJunctionTransistor當(dāng)前49頁，總共63頁。當(dāng)前50頁，總共63頁。3.好的PNP晶體管條件:注入空穴的收集效率高(基區(qū)寬度??；空穴壽命長(zhǎng))；采用P+N結(jié)提高發(fā)射效率。(因?yàn)镻+N結(jié)正向電流大部分是注入N區(qū)的空穴電流，電子流成分?。?.IE=IC+IB影響IB大小的因素:①基區(qū)復(fù)合電子流（以擴(kuò)散方式從基區(qū)表面向體內(nèi)運(yùn)動(dòng)---4。②基區(qū)向正偏PN結(jié)的發(fā)射區(qū)注入電子(由基極供給)---5，③集電結(jié)空間電荷區(qū)中的熱產(chǎn)生電子空穴對(duì)被強(qiáng)反向電場(chǎng)分開，電子被掃入基區(qū)，補(bǔ)充IB復(fù)合，使IB需求減小---3。當(dāng)前51頁，總共63頁。當(dāng)前52頁，總共63頁。5.IB的微小變化控制發(fā)射結(jié)的偏置電壓的微小變化

IE的（發(fā)射極正向電流）較大變化。三.雙極晶體管的放大作用:

1.晶體管的共基極電流放大系數(shù):

α＝IC/IE＝B。B為基區(qū)傳輸因子:反映空穴流通過基區(qū)復(fù)合受損失而達(dá)到變?yōu)镮C的程度。

為發(fā)射極注入效率:反映PN結(jié)注入空穴與注入電子在IE中的比例。當(dāng)前53頁，總共63頁。2.共基極接法:不能放大電流，能放大電壓和功率。3.晶體管的共射極電流放大倍數(shù)（集電極對(duì)基極電流放大倍數(shù)）:

＝IC/IB＝α/(1－α)

當(dāng)前54頁，總共63頁。4.的物理本質(zhì)為:①假設(shè)發(fā)射極的注入效率為1，

IB注入基區(qū)的電子在基區(qū)存在時(shí)間≈N基區(qū)中空穴壽命p發(fā)射極注入基區(qū)的空穴度越基區(qū)時(shí)間t＜＜p為維持基區(qū)電中性,每注入p/t個(gè)空穴,才有一個(gè)在N基區(qū)復(fù)合,才需要從N基區(qū)輸入一個(gè)補(bǔ)償電子。(在時(shí)空上)②忽略集電極飽和電流，則＝p/t。

即IB的微小減小輸入N基區(qū)電子數(shù)減小N基區(qū)出現(xiàn)正空間電荷增加發(fā)射極正偏壓UEB降低空穴注入流IEP減小IC減小。即:IB中每增減一個(gè)電子，IC中就減少個(gè)空穴。即小電流控制大電流機(jī)理（放大）。

當(dāng)前55頁，總共63頁。五.BJT的特性參數(shù):1.極限參數(shù):2.電特性參數(shù):晶體管有三種工作狀態(tài)：截止，放大，飽和。集電結(jié)反偏、發(fā)射結(jié)反偏或零偏為截止；集電結(jié)反偏、發(fā)射結(jié)正偏為放大狀態(tài)；集電結(jié)正偏、發(fā)射結(jié)正偏為飽和狀態(tài)；3.熱特性參數(shù):四.雙極晶體管的靜態(tài)工作特性:（自學(xué)）1.共基極特性:2.共發(fā)射極特性:3.共集電極特性:當(dāng)前56頁，總共63頁。第三節(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)FieldEffectTransistor當(dāng)前57頁，總共63頁。1.FET與BJT的區(qū)別:

FET是單極器件，多子導(dǎo)電。且是電壓場(chǎng)控器件。2.FET的分類: