電力半導(dǎo)體器件（上冊）

目錄

第一章電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展概況5

1.1電力半導(dǎo)體器件與電力電子技術(shù)5

1.2電力半導(dǎo)體器件的分類與發(fā)展6

1.2.1雙極型電力半導(dǎo)體器件6

1.2.2MOS結(jié)構(gòu)電力半導(dǎo)體器件9

1.2.3電力整流管11

1.2.4功率集成電路(PIC)13

1.3新型半導(dǎo)體材料在電力半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用13

第二章電力整流管14

2.1電力整流二極管的基本結(jié)構(gòu)和類型15

2.1.1功率二極管的基本結(jié)構(gòu)15

2.1.2功率整流管的基本類型15

2.2PN結(jié)二極管16

2.2.1整流方程16

2.3PIN二極管17

2.3.1PIN二極管的一般理論17

2.3.2PIN二極管的正向特性19

2.3.3降低二極管正向壓降的途徑24

2.3.4PIN二極管的反向恢復(fù)26

2.4二極管的反向耐壓特性與耐壓設(shè)計28

2.4.1單邊突變結(jié)(P+-N)結(jié)的雪崩擊穿電壓28

2.4.2PNN'二極管的擊穿電壓29

2.4.3二極管耐壓的設(shè)計30

2.5表面造型與保護(hù)32

2.5.1表面電場與表面擊穿32

2.5.2結(jié)的的邊緣造型技術(shù)33

2.5.3整流管的表面造型37

2.5.4P-N結(jié)的表面鈍化與保護(hù)37

2.6快速整流管40

2.6.1反向恢復(fù)時間40

2.6.2快速整流管高頻應(yīng)用的原理40

2.6.3快速整流管的電參數(shù)41

2.7肖特基整流管41

2.7.1肖特基勢壘的伏安特性41

2.7.2肖特基整流管的結(jié)構(gòu)與其電參數(shù)的特色42

2.8MPS二極管43

2.8.IMPS二極管的結(jié)構(gòu)44

2.8.2MPS二極管的靜態(tài)特性44

2.8.3瞬態(tài)特性46

笫二章巨型晶體管(GTRM8

3.1達(dá)林頓晶體管48

3.1.1簡單級連達(dá)林頓晶體管48

3.1.2實用功率達(dá)林頓晶體管49

3.1.3功率達(dá)林城晶體管中得電阻50

3.1.4R限值與A、4的關(guān)系52

3.1.5比、Rz電阻阻值對器件開關(guān)特性得影響53

3.2功率達(dá)林頓器件的版圖設(shè)計方法54

3.3功率達(dá)林頓器件的縱向結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計55

3.3.1高阻層厚度與電阻率的確定56

3.3.2結(jié)深的控制原則56

3.3.3基區(qū)表面濃度與次表面濃度對器件性能的影響57

3.4功率達(dá)林頓晶體管的特性曲線58

3.4.1BV-特性曲線58

3.4.2BVCEO曲線58

3.4.3輸出特性由線59

3.5GTR模塊與其特點59

3.6GTR芯片的設(shè)計61

3.6.1發(fā)射區(qū)圖形的設(shè)計61

3.6.2GTR芯片部各管面積的分配62

3.6.3GTR芯片部電阻Rj%的設(shè)計63

3.6.4芯片設(shè)計中電阻對GTR性能影響的定量分析64

3.7GTR結(jié)構(gòu)的設(shè)計64

3.7.1GTR的部結(jié)構(gòu)65

3.7.2GTR的外部結(jié)構(gòu)67

3.7.3GTR的電路結(jié)構(gòu)68

第四章晶閘管靜態(tài)特性70

4.1概述70

4.1.1基本結(jié)構(gòu)和基本特性70

4.1.2基本工作原理72

4.2晶閘管的耐壓能力73

4.2.1PNPN結(jié)構(gòu)的反向轉(zhuǎn)折電壓73

4.2.2PNPN結(jié)構(gòu)的正向轉(zhuǎn)折電壓75

4.2.3晶閘管的高溫特性76

4.3晶閘管最佳阻斷參數(shù)的確定79

4.3.1最佳正、反向阻斷參數(shù)的確定79

4.3.2X因子設(shè)計法82

4.3.3P2區(qū)相關(guān)參數(shù)的估算84

4.4晶閘管的門極特性與門極參數(shù)的計算89

4.4.1晶閘管的觸發(fā)方式89

4.4.2門極參數(shù)93

4.4.3門極觸發(fā)電流、觸發(fā)電壓的計算93

4.3.3中心放大門極觸發(fā)電流、電壓的計算96

4.5晶閘管的通態(tài)特性99

4.5.1通態(tài)特征分析99

4.5.2計算晶閘管正向壓降的模型100

4.5.3正向壓降的計算103

第五章晶閘管動態(tài)特性109

5.1晶閘管的開通過程與特性109

5.1.1晶閘管開通時的電流電壓變化109

5.1.2開通過程111

5.1.3開通時間112

5.1.4等離子區(qū)的擴(kuò)展115

5.1.5開通過程中的功率損耗118

5.2通態(tài)電流臨界上升率119

5.2.1開通過程中的電流上升率（d〃d￡）119

5.2.2提高d//df耐量的措施120

5.3斷態(tài)電壓臨界上升率123

5.3.1d”也引起的開通123

5.3.2提高dp/（U耐量的途徑124

5.4關(guān)斷特性126

5.4.1關(guān)斷方法126

5.4.2關(guān)斷的物理過程127

5.4.3關(guān)斷時間與元件參數(shù)之間的關(guān)系130

5.4.4減小關(guān)斷時間的措施131

第六章耗散功率與散熱133

6.1耗散功率133

6.1.1通態(tài)耗散功率133

6.1.2開通耗散功率134

6.1.3關(guān)斷耗散功率134

6.1.4阻斷耗散功率134

6.1.5門極耗散功率135

6.2散熱135

6.2.1自然冷卻散熱136

6.2.2風(fēng)冷散熱136

6.2.3水冷散熱137

6.2.4油冷散熱137

6.2.5沸騰冷卻散熱138

第七章晶閘管的設(shè)計139

7.1晶閘管設(shè)計的將點與原則139

7.1.1晶閘管設(shè)計的特點139

7.1.2設(shè)計方法與步驟139

7.1.3晶閘管的設(shè)計原則139

7.2晶閘管設(shè)計方法140

7.2.1設(shè)計思想140

7.2.2晶閘管設(shè)計的主要因素140

7.2.3縱向結(jié)構(gòu)的設(shè)計141

7.2.4橫向結(jié)構(gòu)（門極一陰極圖形）設(shè)計144

7.3晶閘管設(shè)計舉例148

7.3.1設(shè)計技術(shù)指標(biāo)148

7.3.2設(shè)計思懣149

7.3.3設(shè)計計算149

7.3.4驗算152

第一章電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展概況

1956年可控硅整流器（英文縮寫SCR,泛稱晶閘管）的發(fā)明并于次年由GE公司推出商品，

是半導(dǎo)體應(yīng)用由弱電跨入強(qiáng)電的里程碑。其后平面工藝和外延技術(shù)的發(fā)明，又使半導(dǎo)體器件

向兩大分支發(fā)展：一支以晶體管或其它半導(dǎo)體器件組成愈來愈小的集成電路，為適應(yīng)微型化

發(fā)展，形成了以半導(dǎo)體集成電路為主體的新興學(xué)科一微電子學(xué)：另一分支則是以晶閘管為主

體的功率（電力）半導(dǎo)體分立器件，向愈來愈大的功率方向發(fā)展，為解決電力電子與控制技術(shù)

形成了以靜態(tài)功率變換和電子控制為主要容的新興邊緣學(xué)科一一電力電子學(xué)。

1.1電力半導(dǎo)體器件與電力電子技術(shù)

1973年，Newell在第四屆硅電力電子學(xué)專家會議（PESO上提出，電力電子學(xué)是介于

電器工程三大領(lǐng)域：電力、電子與控制之間的邊緣學(xué)科，并用圖1—1的所謂“倒三角”定

義來說明。這一定義已被國際上所公認(rèn)。根據(jù)“倒三角”定義，電力電子學(xué)就是已晶閘管為

主體的功率（電力）半導(dǎo)體器件為核心部件，跨于電力、電子和控制三大領(lǐng)域的一門邊緣學(xué)

科。

圖電力電子學(xué)“倒三角”定義

作為邊緣學(xué)科的電力電子學(xué)，它所包含的容與其廣泛，既有半導(dǎo)體器件問題，也有電路、

控制、裝置即器件的應(yīng)用問題。盡管它們都有各自的理論裝置、系統(tǒng)和發(fā)展方向，但它們之

間又是相互關(guān)聯(lián)的。電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，特別是新型器件的出現(xiàn)和采用，都會以自己的

特長占有不同的應(yīng)用領(lǐng)域，使應(yīng)用面不斷拓寬和擴(kuò)大；反過來，電力電子技術(shù)的發(fā)展對器件

提出更高的要求，又會促進(jìn)器件的性能的提高和新器件的發(fā)展。因為用什么器件的串、并聯(lián)

技術(shù)，用什么樣的電路來實現(xiàn)裝置設(shè)備，反映了器件與線路之間的關(guān)系。新的器件能促進(jìn)電

路達(dá)到新的水平，而新的電路則可禰補(bǔ)器件性能之不足。為了使電路達(dá)到更完善的水平，還

必須提高控制水平；這就要求采用新的控制方式和使用新的工具。但是，器件、電路與系統(tǒng)

控制的最終目的是要完成一個實用的電力電子裝置。由比可見，電力電子學(xué)把器件、裝置、

控制系統(tǒng)緊密地聯(lián)系在一起，它們相輔相成，形成一個具有在系統(tǒng)性的有機(jī)體。

作為一門應(yīng)用科學(xué)，它廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究，國民經(jīng)濟(jì)中的電力、交通、通訊、冶金、

機(jī)械、化工、儀器儀表與國防工業(yè)等部門，并逐步推廣到家用電器等應(yīng)用領(lǐng)域。特別是電力

電子技術(shù)作為節(jié)能最富有成效的技術(shù)之一，已成為發(fā)展快、生命力強(qiáng)的技術(shù)之一。

電力電子技術(shù)作為國民經(jīng)濟(jì)各項高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)凌術(shù)，為大幅度節(jié)能，機(jī)電一體化,

提高生產(chǎn)效能提供主要支撐技術(shù)，而電力電子技術(shù)的核心和基礎(chǔ)則是電力半導(dǎo)體器件。

1.2電力半導(dǎo)體器件的分類與發(fā)展

電力電子技術(shù)發(fā)展的快慢，在很大程度上取決于電刀電子器件的發(fā)展水平。器件容量的

擴(kuò)大和結(jié)構(gòu)原理的更新，特別是新型器件的出現(xiàn)都是各種應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的要求和半導(dǎo)體器件

理論、半導(dǎo)體材抖、半導(dǎo)體工藝發(fā)展的結(jié)果。近幾十年來，新技術(shù)、新工藝方面就出現(xiàn)了中

子姬變摻雜，電子輻照、V輻照的壽命控制技術(shù)；器件的CAD技術(shù)；PN結(jié)表面造型與終端

技術(shù)；器件的高可靠技術(shù)等；以與由微電子技術(shù)引入的精細(xì)加工技術(shù)，等等。電力半導(dǎo)體器

件的基本理論，從電流模式發(fā)展到電荷控制模式；出現(xiàn)了短路陰極理論；表面理論；GTO晶

閘管從一維關(guān)斷理論發(fā)展為二維關(guān)斷模式，引入了陽極短路，隱埋門極等新結(jié)構(gòu)；GTR的達(dá)

林頓結(jié)構(gòu)形式引伸到各種復(fù)合器件，并成為MOS一雙極型復(fù)合器件的基本結(jié)構(gòu)形式；特別是

微電子技求與電力器件制造技術(shù)相結(jié)合所產(chǎn)生的集成功率器件，使得以往不被人們重視的電

力半導(dǎo)體一躍而成為高科技發(fā)展之列。此外，器件的封裝已由壓焊發(fā)展到壓接式和全壓接結(jié)

構(gòu)?？傊?，電力半導(dǎo)體已在材料、器件基本理論、設(shè)計原理、制造技術(shù)等諸方面形成了自己

的體系和發(fā)展方向，成為半導(dǎo)體的一大獨立分支。

下面簡要介紹各類器件的發(fā)展概況。

1.2.1雙極型電力半導(dǎo)體器件

50年代第一個晶閘管和雙極晶體管成為商品，標(biāo)志著固態(tài)電力電子技術(shù)的開始。此后，

雙極型半控器件(如：晶閘管、光控晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管等)和全控型器件(門極可關(guān)斷晶閘

管、電力晶體管、靜電感應(yīng)晶閘管等)相繼出現(xiàn)，品類繁多，且其電壓、電流等額定值得到

穩(wěn)定提高。特別是70年代NTD硅單晶的試制成功，雙擴(kuò)散工藝的成熟以與雙正角造型技術(shù)

的使用，使器件的電壓、電流、頻率等額定值達(dá)到很高水平。圖IT(a)和(b)分別示出了

普通晶閘管、光控晶閘管、快速晶閘管的目前水平與其發(fā)展趨勢。圖1-2(a)和(b)分別示

出了GTO,SITH的目前水平與其發(fā)展趨勢。雖然這些器件已在電力電子技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛

的應(yīng)用，但由于SCR,LTT等半控器件存在著不能用門極控制其關(guān)斷，因而需要繁鎖、復(fù)雜

的輔助關(guān)斷電路；又由于GTO,GTR等全控器件存在著需要較大的控制電流，因而需要由分

立器件組成的龐大門極控制電路等原因，使這些器件的發(fā)展和使用受到很大的影響。

12kV1000A

?

跟

空

K長

(b

圖1-1普通晶閘管、光控晶閘管與快速晶閘

管的額定值(a)與其發(fā)展趨勢(b)

V2-5kA

(b)

圖1-2可關(guān)斷晶閘管、密電感應(yīng)晶網(wǎng)管的額定

值(a)與其發(fā)展趨勢⑹

目前相控晶閘管已廣泛用于直流電機(jī)調(diào)速，交流風(fēng)機(jī)和水泵的變壓調(diào)速以與調(diào)光、調(diào)溫

等領(lǐng)域。雖然相控方法在交流電網(wǎng)產(chǎn)生諧波和較差的功率因數(shù)，而且其使用正在逐步減少，

但這是一種電網(wǎng)電壓控制和變換的經(jīng)濟(jì)而簡便的方法，特別是相控的固有特點是電網(wǎng)電流過

零時關(guān)斷晶閘管，因此不會產(chǎn)生大的關(guān)斷損耗，它將被很好地使用到下一個世紀(jì)。

快速晶閘管具有短的關(guān)斷時間(一般在10-50us),這種器件常用于直流變交流的逆變

電路，并用外部電路使其強(qiáng)迫關(guān)斷。隨著GTO,GTR和IGBT的出現(xiàn)，使快速晶閘管在很大一

部分逆變電路失去了應(yīng)用，目前它主要用于感應(yīng)加熱。高Q因子的感應(yīng)加熱線圈需要一個補(bǔ)

償電容器來消除電源與負(fù)載之間的環(huán)流無功功率，因此感應(yīng)加熱逆變器需要做成高Q的諧振

負(fù)載，這就需要簡單自然換向的快速晶閘管，而高壓領(lǐng)域GT0還將占有一席之地。

靜電感應(yīng)晶閘管(SITH)與GT0相似是一種“擎住”開關(guān)，與GT0不同之處它是一種

非對稱阻斷的常通型器件，實質(zhì)上是一個場控二極管，可在門極上加負(fù)偏壓來阻斷SITHo

在硬開關(guān)應(yīng)用中，只需將門極電壓從負(fù)變?yōu)檎纯墒筍ITH開通。開通時所需驅(qū)動電流相對

較低，但關(guān)斷時所需驅(qū)動電流很大，其關(guān)斷電流增益只有r3,通態(tài)電壓降亦比GT0大。由

于SITH在開通和關(guān)斷時是在整個硅片面積均勻進(jìn)行，因此它的d〃也承受能力很高，而再

加上dvdf能力至少要比GT0器件高一個數(shù)量極，這此特性大丈降低或消除了因d〃d￡

和dKlt所需的吸收電路。SITH的關(guān)斷拖尾時間與GT0相當(dāng)，但它的頻率要比GT0高得

多。目前SITH器件已用于高頻感應(yīng)加熱裝置。制造SITH的難點在于其制造工藝方法很難控

制，工藝方法的微小變化就可使最終產(chǎn)品的性能發(fā)生重大變化，目前正在開發(fā)常閉型SITH。

GTR是非擎住器件或“線性”器件，是一種電流控制的雙極雙結(jié)電力半導(dǎo)體器件。由于

它的電流增益差，因此七十年代出現(xiàn)了絕緣型GTR達(dá)林頓模塊，以滿足大功率逆變器的應(yīng)用。

圖1-3示出GTR的額定值和發(fā)展趨勢。一般達(dá)林頓GTR噗塊的飽和電壓降為1.5?3V,

圖1-3電力晶體管的額定值(a)與其發(fā)展趨勢(b)

存儲時間和電流下降時間的典型值分別為15PSO和3US。GTR模塊已廣泛用于電機(jī)控制的

PWM逆變器、不間斷電源以與開關(guān)電源。由于GTR存在著固有的二次擊穿，且其安全工作區(qū)

受各項參數(shù)影響而變化和熱容量小、過流能力低等問題，目前在開關(guān)電源已逐步被

MOSFET以與在電機(jī)調(diào)速和UPS正逐步被IGBT所替代。無疑GTR在今后幾年將繼續(xù)

存在于現(xiàn)有的設(shè)計電路，但最新設(shè)計的電路將采用IGBT。

1.2.2MOS結(jié)構(gòu)電力半導(dǎo)體器件

由于GTR,GTO和SIIH等雙極型全控器件必須要有較大的控制電流，因而門極控制

電路非常龐大，使系統(tǒng)的體積和重量增大并使效率降低，從而促進(jìn)了新一代具有高輸入阻抗

的MOS結(jié)構(gòu)電力半導(dǎo)體器件的開發(fā)。而這些現(xiàn)代電力半導(dǎo)體器件的制造工藝是借助于原先

CMOS集成電路的MOS工藝，并充分結(jié)合電力電子技術(shù)而制成的。下面將分別簡要介紹功

率MOSFET,IGBT和MCT。圖1-4(a)示出了功率VOSFET的目前水平，圖1-4(b)示出了MOSFET.

IGBT和MCT的發(fā)展趨勢與相應(yīng)的簡略結(jié)構(gòu)圖。

圖1-4功率MOSFET,IGBT的傾定值(a)和功率

MOSFET,IGBT.VCT的發(fā)展趨勢(b)

(a)(b)(c)

圖1-5功率MOSFET,IGBT和MCT的簡略結(jié)構(gòu)示意圖

(a)功率MOSFET(b)IGBT(c)MCT

功率MOSFET是一種電壓型高頻多數(shù)載流子器件，與GTR不同的是功率MOSFET的

柵極是電絕緣的，是電壓驅(qū)動器件，基本上不要求穩(wěn)定的驅(qū)動電流，驅(qū)動電路只需要在器件

開通時提供容性充電電流，而關(guān)斷時提供放電電流即可，因此驅(qū)動很簡單。

為了獲得高輸入阻抗的高電壓器件，1980年研制出IGBT器件，它是功率MOSFET工

藝技術(shù)基礎(chǔ)上的產(chǎn)物。比較圖1-5功率MOSFET與IGBT的結(jié)構(gòu)圖可以看出，二者除IGBTP'

替代MOSFETN'外，幾乎完全一樣，這使IGBT器件的制造在功率MOSFET器件制造的基礎(chǔ)上

能很快商業(yè)化，但是它們的工作原理完全不同。因IGBT的集電極和發(fā)射極之間有一個寄生

晶閘管，該晶閘管的擎住可使IGBT失去控制并損壞，這是學(xué)者們長期研究給以解決的問題。

IGBT兼有MOSFET高輸入也抗、高速特性和GTR大電流密度特性的混合器件。

與功率MOSFET一樣，它的柵極是絕緣的，驅(qū)動功率很小。IGBT在600~1800V圍的通態(tài)電

壓降與GTR相似，約為1.5?3V,這要比類似額定電壓的功率MOSFET的通態(tài)電壓降小得多。

IGBT的開關(guān)速度要比功率MOSFET的速度低，但要比GTR快，IGBT的關(guān)斷存儲時間和電流下

降時間分別為0.2~0.4us和0.2?1.5us。IGBT較高的工作頻率，寬而穩(wěn)定的開關(guān)安全

工作區(qū)，較高的效率以與筒單的驅(qū)動電路，使IGBT在6Q0V以上的開關(guān)電源、交流電機(jī)控制

用的PWM逆變器和UPS成功地逐步替代GTR,而且這種趨勢還將繼續(xù)下

去。IGBT具有正、反向阻斷能力，正向電壓是由P基區(qū)/1＜漂移區(qū)結(jié)的反偏承受，而反向電

壓是由P.基片/n漂移區(qū)結(jié)的反偏承受，但是商用IGBT器件由于W漂移區(qū)和，基片之間存在

小緩沖層，所以只有正向阻斷能力。這種穿通結(jié)構(gòu)使器件在直流電路應(yīng)用中具有良好的

導(dǎo)通電壓降和安全工作區(qū)特性。將來IGBT需要用于交流電路時，就需研究對稱阻斷結(jié)構(gòu)的

IGBT器件。目前已研制出帶電流檢測端的IGBT和智能IGBT模塊，這種智能1GBT模塊具有

集成的驅(qū)動電路和保護(hù)電路，幾百安、1200V的半橋和三相橋智能IGBT模塊已有商品。提

高IGBT的電壓額定值，研究具有較高頻率和較低損耗的IGBT以與開展具有集成保護(hù)功能的

智能IGBT是今后的發(fā)展方向。為了提高IGBT器件的電壓，目前已用槽溝(Trench)技

術(shù)替代平面(Planar)技術(shù)，已研制出4500V,通態(tài)電壓降2.6V,電流密度達(dá)到100A/cm的

1GBT器件，并用雙柵極結(jié)構(gòu)來解決器件的通態(tài)電壓降與開關(guān)頻率之間的矛盾。

MOS控制晶閘管(MCT)是一種在它的單胞集成了MOSFET的晶閘管，利用MOS門來控制晶

閘管的開通和關(guān)斷。它是一種擎住器件，具有晶閘管的低通態(tài)壓降，但其工作電流密度遠(yuǎn)高

于IGBT和GTRoMCT的單胞結(jié)構(gòu)保證了集成的MOSFET處于完全控制MCT芯片的全面積導(dǎo)通

和關(guān)斷，因此MCT的導(dǎo)通di/dt和阻斷dv/dt能力非常高，可分別達(dá)到2000A/US和

20000V/us,而其工作結(jié)溫可達(dá)150~20(TC。與任何MOS門控器件一樣，MCT驅(qū)動電路功率

要求也很小。與其它晶閘管一樣，MCT在理論上可以制成千伏的阻斷電壓和幾千赫的開關(guān)

頻率，且其關(guān)斷增益極高，目前巳研制出3000V的高壓NCT,并有很低的通態(tài)電壓。由于晶

閘管的再生作用，使之用MOS櫥來關(guān)斷晶閘管電流就非常困難，現(xiàn)在已有幾種辦法來解決此

問題,其中較為先進(jìn)的是MCT(MOSControlledThyristor),BRT(BaseResistance

ControlledThyristor)EST(EmitterSwitchedThyristor)結(jié)構(gòu)。MCT和BRT結(jié)構(gòu)都具

有良好的通態(tài)電壓降，在關(guān)斷時間為().3us時，約為1.IV左右。但是它們共同缺點是不

呈現(xiàn)正偏安全工作區(qū)，當(dāng)用于傳動裝置時就需要吸收電路來保護(hù)器件。而且MCT結(jié)構(gòu)需采用

3次擴(kuò)散形成結(jié)的辦法才能制成器件，從而使制造工藝更復(fù)雜。EST結(jié)構(gòu)是利用晶閘管電流

強(qiáng)迫流過MOSFET溝道以達(dá)到M0S柵的控制目的，這不僅提供M0S柵控制關(guān)斷能力，而且允

許電流在晶閘管的基本結(jié)構(gòu)飽和。它的正偏安全工作區(qū)與IGBT器件的差不多，但它的通態(tài)

電壓降要比MCT和BRT結(jié)構(gòu)的高，在關(guān)斷時間為().3us時，約為1.5VO由于EST結(jié)構(gòu)具

有良好的正偏安全工作區(qū)特性，所以它將是制造MOS晶閘管的較好結(jié)構(gòu)。目前75A,IkV的

MCT已應(yīng)用于串聯(lián)諧振變流器?，F(xiàn)有10多家外國公司競相開展MCT,BRT和EST結(jié)構(gòu)的研究，

以改進(jìn)其器件的電氣性能。專家們預(yù)測，一旦MCT的性能和價格達(dá)到商用程度，就有可能替

代高壓GT0,并與IGBT在中功率領(lǐng)域形成有限的競爭，而MCT最終有可能取勝。

L2.3電力整流管

隨著高性能、高頻開關(guān)器件和IGBT、MCT的發(fā)展，開發(fā)高性能、高頻電力整流管已成

為一個非常重要和迫切的任務(wù)。

眾所周知，電力整流管是電力半導(dǎo)體器件中結(jié)構(gòu)最簡單、用途最廣泛的一種器件。圖

1-6(a)和(b)分別為目前常用的幾種電力整流管的水平與其發(fā)展趨勢，

圖Lb普通、快恢復(fù)和肖將基整流管的額定值(a)與其發(fā)展趨勢(b)

它們相互比較各有其特點：普通整流管具有較小的樓電流，較高的通態(tài)電壓降(1.0-1.8)

和幾十微秒的反向恢復(fù)時間；肖特基整流管具有較低的通態(tài)壓降(0.3?0.6),較大的的樓

電流，反向恢復(fù)時間幾乎為零；而PIN快恢復(fù)整流管具有較快的反向恢復(fù)時間(幾百ns?

2us),但其通態(tài)壓降很高(1.6?4.0)。為了滿足快速產(chǎn)關(guān)器件應(yīng)用配套需要,人們利用大

規(guī)模集成電路工藝和精細(xì)的鑲嵌結(jié)構(gòu)，機(jī)肖特基整流管和PIN整流管的優(yōu)點于一體，已研制

出UPS(MergedPIN/Schottkydiode)結(jié)構(gòu)的電力整流管，如圖1.7所示。它不僅具有較高

的反

圖1-7左為PI\整流管，右為MPS整流管的結(jié)構(gòu)示意圖

向阻斷電壓，而且其通態(tài)玉降很低，反向恢復(fù)時間很短，反向恢復(fù)峰值電流很小，而且具有

軟的反向恢復(fù)特性。MPS結(jié)構(gòu)的電力整流管的通態(tài)壓降約為IV,反向恢復(fù)時間是PIN整流管

的1/2,反向恢復(fù)峰值電流是PIN整流管的l/3o若以MPS整流管代替PIN整流管與IGBT

配合使用，可使系統(tǒng)的總功耗降低1/2,大大改善了系統(tǒng)的性能。

L2.4功率集成電路（PIC）

功率集成電路是近幾年發(fā)展很快的一種“器件”，它是微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)相結(jié)

合的產(chǎn)物，其功能是使功率與信息合一，成為機(jī)、電的重要接口。由于裝置采用PIC,可使

裝置電源部分的體積縮小、重量減輕、寄生的L和C減小、性能改進(jìn)、可靠性提高、從而使

裝置的成本降低。目前，對PIC還沒有一個嚴(yán)格和確切的定義，一般其電壓大于幾十優(yōu)，或

電流大于幾百毫安或功率大于IW就稱為PIC。PIC分為兩類：高壓集成電路（HVIC）和智能

集成電路（SPIC）,前者用橫向高壓器件（承受高壓的兩個電機(jī)都從芯片的同一表面引出）

與起控制作用的傳統(tǒng)邏輯電路或模擬電路繼承，后者是縱向功率器件（管芯背面作主電極，

通常是集電極或漏極）與邏輯或模擬控制電路、傳感器以與保護(hù)電路等單片繼承。圖1-8

示出了PIC的電流、電壓圍與其應(yīng)用領(lǐng)域。隨著制造PIC工藝的成熟，

圖1-8PIC電壓、電流圍與應(yīng)月領(lǐng)域

同一芯片上制造不同元件精度的提高，PIC將獲得重大發(fā)展，成為未來的重要電力半導(dǎo)體器

件。

1.3新型半導(dǎo)體材料在電力半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用

隨著高頻電力電子技術(shù)的發(fā)展，要求電力半導(dǎo)體器件具有高的開關(guān)速度、低的通態(tài)損耗、

高的輸入阻抗、高的工作溫度、優(yōu)良的熱穩(wěn)定性以與良好的防輻射能力。利用傳統(tǒng)的硅單晶

材料已不能很好地滿足上述要求，因此具有較大禁帶寬度、較高載流子遷移率和良好電熱傳

導(dǎo)性的碳化硅、珅化錢和金剛石薄片得到很好的開發(fā)。由于SiC的制造工藝要比金剛石成熟，

它的性能又比GaAs高一個數(shù)量級，因此制造SiC電力半導(dǎo)體器件最有前途，也較現(xiàn)實。目

前已研制出625mm的SiC基片，實現(xiàn)了SiC襯底低缺陷的外延工藝，而且氧化、參雜、半

導(dǎo)體金屬接觸腐蝕等工藝方法逐步成熟。已制造出600VSiCFET器件，600VSiC肖特基勢

壘二極管，前者的正向壓降為0.IV,電流密度為lOOA/cmz,關(guān)斷時間001us,后者的正向

壓降為IV,電流密度lOOA/cnr2,反向恢復(fù)時間0.01US,反向恢復(fù)峰值電流幾乎為0。它們

的功耗隨頻率的增加而增加，50kHz變化很小。目前各國都加強(qiáng)了對這種新型半導(dǎo)體材料制

作的研究，由于這些新型半導(dǎo)體材料在制作上還存在著相當(dāng)難度，因此預(yù)計近期還不可能普

遍用于電力半導(dǎo)體器件的制造中。但是這種趨勢必須引起電力電子工程師們的充分注意和重

視，積極開展這方面的開發(fā)和研究工作。

綜合上述各種電力半導(dǎo)體器件的特性、優(yōu)缺點與其發(fā)展趨勢，可以認(rèn)為1GBT、MCT以與

MPS結(jié)構(gòu)的電力整流管是今后最有發(fā)展前景的器件。進(jìn)一步提高IGBT和MCT的額定電壓、

電流和工作頻率，改善MPS的軟反向恢復(fù)特性以與降低IGBT的通態(tài)壓降，研制智能IGBT

模塊，開發(fā)低電壓(2~3V)電源用的并具有低通態(tài)壓降和低壓電力整流管將是今后研制工作

重點之一。

功率MOSFET在高頻、的電壓、小功率領(lǐng)域近期尚無競爭對手，它繼續(xù)是一種具有生命

力的器件，特別是各種智能功率MOSFET的開發(fā)成功，更使它的用量增大。隨著高頻電力電

子技術(shù)的發(fā)展，用碳化硅制成的電力電子開關(guān)器件和電力整流管，在降低功耗、提高工作頻

率中將發(fā)揮巨大的作用，因此更進(jìn)一步開發(fā)各種碳化硅電力電子開關(guān)器件亦是今后研究工作

的重點。

GTO器件在采用了各種新工藝、新技術(shù)和新的結(jié)構(gòu)后，可制成只需的吸收電路的高壓GTO,

以滿足1500V以上直流電壓和線電壓的要求，因此GTO器件在大功率、超高壓領(lǐng)域，特別在

牽引領(lǐng)域耨繼續(xù)發(fā)揮的作用。GTR器件器件的前景較為暗淡，低壓(600V)以下的應(yīng)用將逐

步被功率MOSFET替代，而600V以上的應(yīng)用將逐步由IGBT代替。大功率晶閘管用量今后將

逐年減少，但超高壓(8000V)、大電流(3000A)的晶閘管將繼續(xù)在HVDC和靜止無功補(bǔ)償裝置

上使用。

第二章電力整流管

大多數(shù)二極管就是只飽含一個P—N結(jié)的兩端器件，稱為p—N結(jié)二報管。P—N結(jié)可以

完成不同的功能。本章分析P-N結(jié)作為整流器的特性。所調(diào)整流器，是指一種大面積的功

率器件，常稱為功率整流器或功率二極管。典型的功率整流管為PIN結(jié)構(gòu)。本章將分析功率

整流二極管的正向特性、反向特性、開關(guān)特性，并介紹P—N結(jié)終端技術(shù)與表面保護(hù)。

2.1電力整流二極管的基本結(jié)構(gòu)和類型

2.1.1功率二極管的基本結(jié)構(gòu)

實際的二極管，一般就是一個P-N結(jié)加上電極引線和外殼封裝而成的，稱為P-N結(jié)二

極管。根據(jù)P—N結(jié)的不同摻雜情況和幾何結(jié)構(gòu)而具有不同特性，可以制成不同用途的二極

管。例如利用P-N結(jié)整流特性制成的整流二極管；利用擊穿特性別成的穩(wěn)壓二極管；利用

隧道效應(yīng)制成的隧道二極管；利用P—N結(jié)電容效應(yīng)制成的變?nèi)荻O管和將P—N結(jié)作為光源

的電致發(fā)光二極管，等等。所有這些，其核心都是P—N結(jié)。對于以P—N結(jié)為核心的整流二

極管，通常定義通過電流大于1A的二極管為功率二極管或功率整梳管。根據(jù)器件容量的不

同，功率整流管的管芯結(jié)構(gòu)有如下幾種：

(l)P'—N結(jié)構(gòu)(圖2-la)

(2)P+—N—k結(jié)構(gòu)，中間區(qū)域為低摻雜,兩邊為高摻雜的，和N+區(qū)，如圖2-1(b)所示。

(3)P+—P—N—N*結(jié)構(gòu)，如圖2T(c)所示。

P+NP+NN+P'PNN+

(a)(b)(c)

圖2-1功率二極管的管芯結(jié)構(gòu)示意圖

以上三種結(jié)構(gòu)中，P'-N結(jié)構(gòu)只是理論上的一種結(jié)構(gòu)，不適于制作功率整流管。后兩種

是制作功率整流管的兩種基本結(jié)構(gòu)。

2.1.2功率整流管的基本類型

報據(jù)器件制造和應(yīng)用的不同特點，功率整流管可以分為五大類

1.硅整流管

硅功率整流管一般在普通整流管。當(dāng)電流大于1A肘，稱為功率二極管或功率整流管。

器件的電流容量可在I?]000A以上，電壓從幾十伏到數(shù)千伏，工作結(jié)溫可達(dá)14(TC。這種

器件只適合于頻率較低(400Hz以下)的電網(wǎng)換相變流器中使用。目前器件最高水平可達(dá)

2.快速二極管

快速二極管是一種反向恢復(fù)時間短，恢復(fù)電荷量較少，可以在400Hz以上頻率下工作

的整流管。通常也稱為快恢復(fù)二極管。在快速型二極管中，除普通的(P-N結(jié))快恢復(fù)二極

管外，還包括功率肖特基勢壘二極管。這種二極管的整流作用是由金屬與硅間形成的接觸勢

壘來實現(xiàn)的。它是一種多子器件，正向壓降小，工作頻率高，工作溫度可高達(dá)150?170C,

而且熱穩(wěn)定性好，但反向電壓較低。

3.高溫整流管

這種器件的特點是工作結(jié)溫可高達(dá)175C以上，電流也可達(dá)到幾十安培，電壓在幾百圍。

4.高壓整流堆

這是一種能顯示整流特性，二反向能承受數(shù)萬伏以上的半導(dǎo)體整流堆。它是將整流元

件串接封奘在一起而成的，因采用硅二極管串接，常稱為高壓硅堆.

5.雪崩二極管

這是一種具有雪崩擊穿特性，并能在規(guī)定時間承受一定反向浪涌功率二極管。這種器件

的穩(wěn)壓特性可以限制過電壓幅值，流過浪涌電流一消耗過電壓的能量，故可作抑制過電壓元

件。器件的電流在500?1000人電壓在1000?2000V圍。

根據(jù)器件容量的不同，功率二極管的管芯結(jié)構(gòu)主要采用P'—N—N'結(jié)構(gòu)和P'—P—N—N*

結(jié)構(gòu)。對于P'-N-N'結(jié)構(gòu)，中間層為輕摻雜區(qū)（常稱為基區(qū)），當(dāng)摻雜濃度很低時，可近似

看作本征半導(dǎo)體，，一N—N.結(jié)構(gòu)便可近似為P—I—N結(jié)構(gòu)。此種結(jié)構(gòu)能承受高的反問電壓，

且具有良好的正向特性。高壓功率二極管一般都采用此種結(jié)構(gòu)。

對于p—P—N—N*結(jié)構(gòu)，不僅能提高注入，增強(qiáng)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使器件具有較理想的

正向特性；同時在反向又能耐高電壓，所以這是一種較理想的大電流向電壓整流管結(jié)構(gòu)。

利用P—N結(jié)的整流特性，可以把反復(fù)變換方向的交流電變成單方向流動的電流，所以

在許多電子儀器設(shè)備和電力電子裝置中都大量使用各種類型的功率二極管。在實際工作中，

通常利用示波器來直接顯示二極管的伏女特性。一個性能優(yōu)良的功率二極管，應(yīng)該是正向電

流盡量大，特性曲線盡量靠近縱坐標(biāo)，使正向壓降為最??；反向特性應(yīng)是漏電流要小，反向

擊穿電壓向，而且特性曲線直，具有所謂的硬特性。后面將困繞這些要求進(jìn)行討論。

2.2PN結(jié)二極管

盡管功率二極管的結(jié)構(gòu)有所不同，但整流特性仍然主要由P-N結(jié)特性所確定。為此，本

節(jié)扼要闡述P-N結(jié)的整流特性，作為分析P-N結(jié)器件的基礎(chǔ)。

2.2.1整流方程

i.小注入下的整流方程

對于P'N突變結(jié)，當(dāng)N區(qū)處于小注入狀態(tài)時，按照連續(xù)原理，可得P-N結(jié)的電流一電

壓方程為

LNnLN

當(dāng)外加電壓為正向電壓陣時，且監(jiān)>>kT/q時，（2-1）式可以寫為

當(dāng)外加電壓為反向電壓，時，且時，（2T）式變?yōu)?/p>

（2-1）式為P-N結(jié)的反向電流，又稱為反向擴(kuò)散電流，流過P-N結(jié)的反向電流不僅有反

向擴(kuò)散電流，還存在P-N結(jié)產(chǎn)生電流，產(chǎn)生電流可以表示為

因此P-N結(jié)的反向電流為

JR=jDR+(2-5)

2.大注入下的伏安特性

對于P-N結(jié)，當(dāng)正向電壓增高，注入增大后，注入到N區(qū)的非平衡載流子等于甚至大

于該區(qū)的平衡載流子濃度，達(dá)到大注入水平。對于功率二極管（包括其它電力器件）在穩(wěn)定

工作條件子下，其電流密度可以達(dá)到3（ri00A/cm\甚至更高。在這樣高的正向電流密度下,

對反向耐壓較高的器件（N區(qū)的摻雜濃度較低）來說，完全處于大注入狀態(tài)下工作。

大注入下，截流子之間的散射變得顯著，并導(dǎo)致遷移率下降。遷移率和擴(kuò)散系數(shù)隨載

流子濃度增加而下降，使得在大注入時功率二極管、晶閘管的正向壓降增大。大注入條件下

的自建電場，將使P-N結(jié)的伏安特性發(fā)生變化，其表達(dá)式為

q2Dp為

(2-6)

大注入不但使擴(kuò)散系數(shù)加倍，而且使電流隨電壓的上升變慢，由小注入的e2"/T關(guān)系變?yōu)?/p>

"%"關(guān)系"

2.3PIN二極管

PIN二極管是由P型和N型材料之間夾一本征層而杓成的結(jié)型二極管。在低頻時，它具

有與P—N結(jié)相似的伏安特性，不僅能承受很高的反向電壓，而且具有小的正向電壓降。理

想的PIN二極管I層材料應(yīng)是本征型的，但是很難做到。實際的I層可近似認(rèn)為低摻雜的高

阻層。因此，功率二極管都做成重?fù)诫s的P'、N，層之間夾一層較厚的低摻雜的P型或N型層

而構(gòu)成：P'-N-M或P-P-N'結(jié)構(gòu).這種結(jié)構(gòu)在分析晶閘管正向壓降的模型，所以本節(jié)著重分

析PIN二極管的正向壓降。

2.3.1PIN二極管的一般理論

所謂PIN二極管是由重?fù)诫s的P型區(qū)和N型區(qū)之間夾一接近本征型的高電阻率i層構(gòu)

成，其一般結(jié)構(gòu)，其一般結(jié)構(gòu)如圖2—2所示。I層厚度由反向耐壓和正向電流決定。在熱

平衡時的能帶圖、載流子分布、空間電荷與電場分布2—2所示。

圖2—2PIN二極管的結(jié)構(gòu)、能帶、載流子分布空間電荷機(jī)電場分布

與PN結(jié)類似，在PI結(jié)和NI結(jié)也會形成空間電荷區(qū)。因此I層可分為三個區(qū)域；（1）

X2到X3之間的正電荷區(qū)；（2）X3到X”的中性區(qū)；（3）X4到X5之間的負(fù)電荷區(qū)。中性I區(qū)相

當(dāng)一個長為（X4-X3）的電阻。因而PIN二極管好似一個PI二極管和一個電阻與一個NI二極

管三者的串聯(lián)組合。PIN二極管的正向壓降可視為三步分組成：PI結(jié)和NI結(jié)的結(jié)壓降以與

I區(qū)的體壓降。設(shè)外加正向壓降為L則

%=%/+%+%（2-7）

下面首先對體壓降作簡化的分析，然后再做精確的分析討論。如圖2—2所示的PIN二

極管中，如果假定兩個端部的注入效率為1,即認(rèn)為在兩個端部（P區(qū)和N'）不存在少數(shù)載

流子流的流動，那么正向電流只是由空穴和電子在基區(qū)的復(fù)合而引起的。根據(jù)空穴和電子在

I區(qū)復(fù)合的速率便可計算正向電流，因為

d

J=卜jUdx（2—8）

-d

式中，基區(qū)寬度w產(chǎn)2d,U為大電流下給出的復(fù)合率"⑨=〃//小。假定注入空穴的平均濃

度（萬）和注入電子的平均濃度（萬）相等，且遠(yuǎn)大于本征的載流子濃度m。將式（2-8）

積分得到

,Iqnd

J=——（2-9）

式中，為雙極壽命。如果進(jìn)一步假定整個I區(qū)的載流子濃度是均勻分布的，那么可以忽

略載流子的擴(kuò)散作用，于是由平均電場E引起的電流密度便可以寫成

j=q（即+45E（2-10）

因為跨越在I區(qū)兩端的電壓降可以表示為Vw=2dE,聯(lián)立（2-9）和（2-10）得到

V一儂)；(2-11)

M+

盡管這是一個簡化的表達(dá)式，但它指出了PIN二極管正向壓降與雙極壽命成反比，而正比于

基區(qū)寬度的平方的重要結(jié)論，反映出實際器件壓降的一般趨勢。

2.3.2PIN二極管的正向特性

下面敘述比較完整的PIN二極管理論。圖2—3示ti了這種器件的結(jié)構(gòu)，I區(qū)的寬度取

為2d,假定PI結(jié)、NI結(jié)的注入效率為1.

1.基區(qū)體壓降

大注入或中注入下，PIN二極管伏安特性方程的推導(dǎo)很繁雜，公式與其長。它的基本思

路是首先找出各區(qū)載流子所遵從的運動方程，根據(jù)邊界條件求解電子、空穴濃度的分布；

然后再由電流密度方程求得電場強(qiáng)度和電流密度J;然后對E積分得到正向體壓降心。

為了求得I區(qū)載流子濃度的分布，必須求解連續(xù)性方程。因I區(qū)工作在大注入狀態(tài)，該

區(qū)穩(wěn)態(tài)雙極連續(xù)性方程可表示為

還3*+

dtr?dx~

式中D“為雙極擴(kuò)散系數(shù)，因此雙極擴(kuò)散長度為

L=(D“a)1/2,于是上式變?yōu)?/p>

d2n(x)心)

---;------=。(2-13)

改L-

此式為雙極擴(kuò)散方程，其一般解為

/L,/n

n(x)=\e'4-A2e~^(2—14)

常數(shù)AnA?邊界條件確定“按照兩邊結(jié)注入效率為1的假定，邊界條件為

J-=U(2-15)

另一方面，在x=+d處的電子電流密度為

小J〃(+d)=W(+d)E(+d)+汨竽J,(2-16)

axxa

其中電場由載流子濃度確定

kT_l_dn

E(+d)=(2-17)

q〃(+d)dx

將式(2-17)代入(2-16)中得

(2-18)

JM")=2q哈

類似地分析可得

=J〃-d)=2qDp&|?(2-19)

上述推導(dǎo)利用了電中性條件〃/個小人將邊界條件式(2-18)和(2-19)代入(2—14),

并考慮到dn(x)/dx=dp(x)/dx與*Jp(-d)=J*(+d),即可求出常數(shù)Ai和A2得表達(dá)式。然后再

代入(2-14)中，便可解出I區(qū)得電子濃度分布(空穴具有一樣得分布)

心)=上網(wǎng)&_psinh”川(2—20)

2qL°[_sinh(x/L)cos乩丫/)

式中，

nPp

B=^~=—(b=p?/uP)(2-21)

根據(jù)假設(shè)，正向電流外是由I區(qū)空穴和電子復(fù)合而引起的，故人=&=里%。

由式(2-20)確定I區(qū)中載流子分布，如圖2-3所示。空穴和電子濃度再PI(-d)

結(jié)與NI(+d)結(jié)處最高，由于空穴和電子的遷移率不同，(L>Up,故B=l/2)，其濃度最

低點偏向陰極側(cè)。若假定Un=UP,B=0,載流子分布是對稱的，其最低點再中央處。隨著

離開結(jié)的據(jù)距離的增加，或流子的濃度的下降取決于雙極擴(kuò)散長度/“,，而擴(kuò)散長度是由大注

入壽命3所控制。

為了確定I區(qū)的電壓降VM,首先必須知道電場的分布。在I區(qū)中，電流與電場的關(guān)系

由下列關(guān)系式確定，

JF=Jp(x)+Jn(x)(2-22)

與

kTdn(x}

n(x)E(x)4(2-23)

qclx

和

kTdp(x)

Jp="MppME(x)(2-24)

qdx

聯(lián)立以上三式并考慮到〃，切孕/得到

kTBd心)

E(x)=(2-25)

q（4+〃,）〃（x）qn(x)dx

在（2-25）中，右邊第一項為歐姆電壓降產(chǎn)生的電場分量，第一項是電子和空穴迂移

率不等產(chǎn)生的濃度分布不對稱形成的電場分量。采用（2-20）的濃度分布，將（2-25）在

I區(qū)積分得到該區(qū)體壓降即

j-Edx

-d

kT8bsinh(d/L“)I_________________/、

?arctgy[\-B2tgh2(d/)?sinh一(2-26)

q("1)2Jif而7G”,

1十BigN

+Bln

I-Btgh2

該方程的曲線如圖2—4所示?？梢钥闯?，歐姆電壓降陵"2”的增加而迅速增大。當(dāng)

V

/M

T^

q/

圖2—4W與d/L的關(guān)系

dWZ,時，即幾比I區(qū)的半寬度大時，稱為“短”結(jié)構(gòu)PIN二極管。載流子濃度在I區(qū)上的

空間變化（損失較?。航涤绊懣梢院雎?。對于硅，b=u/up=3,式（2-26）可簡化為

/、2

3kT(d)

(2-27)

對于必，的情況，則與上述相反，稱為“長”結(jié)構(gòu)二極管，此時式(2-26)可簡化

為

3成T%

1Z(2-28)

8q

遷移率相等時，b=l和B=0,(2-26)變?yōu)?/p>

(2-29)

此種情況下，對于“短”結(jié)構(gòu)二極管(dWZD,上式又可簡化為

z\2

2kT(cl

(2-30)

由(2—26)與其各種簡化表達(dá)式可知，I區(qū)體壓降匕與通過的電流無關(guān)。這是因為電流

時由平均載流于所運載，它與電流密度成正比。隨著正向電流密度的增加，I區(qū)的電導(dǎo)率亦

成比例地增加，從而使該區(qū)的電壓降保持常值。I區(qū)中的這種電導(dǎo)調(diào)制作用，使得PIN二極

管中間的電阻率盡管很高，以承受很高的反向電壓，但在正向仍能流過大的電流，并具有較

低的正向壓降。正因為如此，PIN二極管是一種高壓大功率器件。

1.PIN二極管的正向壓降

由圖2—3可知，在不考慮接觸壓降時，PIN二極管的正向壓降除了基區(qū)體壓降VI之外,

還包括陽極結(jié)(PI)和陰極結(jié)(IN)的結(jié)壓降，這兩者可以根據(jù)結(jié)電壓與注入少數(shù)載流子濃

度的關(guān)系求出。因為

〃(一％(2-31)

ND

N(十d)=左/%(2-32)

ND

式中N0為I(N)區(qū)的摻雜濃度，聯(lián)立式(2—31)和(2—32),以與大注入條件下，p(-d)=nJd),

得到

VPI+VNI=—In"(―/)(2-33)

由(2-7)式得到二極管的正向壓降

VF=—In水-")?(+")+yw(2-34)

QLni_

利用式(2-20)求出載流子濃度n(-d)、n(+d),代入上式即可得到正向壓降

式中體壓降Vv由(2—26)式求得。

若將(2-35)式進(jìn)行一些變化，即可得到二極管正向電流JF的表達(dá)式：

JF=?/—YJ%，(2-36)

dMJ

式中

=削J"