【正文】 的樓電流，反向恢復時間幾乎為零；而PIN快恢復整流管具有較快的反向恢復時間（幾百ns～2μs），但其通態(tài)壓降很高（～）。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?，F(xiàn)有10多家外國公司竟相開展MCT, BRT和EST結(jié)構(gòu)的研究，以改進其器件的電氣性能。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)。EST結(jié)構(gòu)是利用晶閘管電流強迫流過MOSFET溝道以達到MOS柵的控制目的，這不僅提供MOS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)內(nèi)飽和。但是它們共同缺點是不呈現(xiàn)正偏安全工作區(qū)，當用于傳動裝置時就需要吸收電路來保護器件。由于晶閘管的再生作用，使之用MOS柵來關(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，其中較為先進的是MCT (MOS Controlled Thyristor)、BRT (Base Resistance Controlled Thyristor)、EST (Emitter Switched Thyristor)結(jié)構(gòu)。與任何MOS門控器件一樣，MCT驅(qū)動電路功率要求也很小。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高于IGBT和GTR。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，電流密度達到100A/cm的IGBT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。目前已研制出帶電流檢測端的IGBT和智能IGBT模塊，這種智能IGBT模塊具有集成的驅(qū)動電路和保護電路，幾百安、1200V的半橋和三相橋智能IGBT模塊已有商品。這種穿通結(jié)構(gòu)使器件在直流電路應用中具有良好的導通電壓降和安全工作區(qū)特性。IGBT較高的工作頻率，寬而穩(wěn)定的開關(guān)安全工作區(qū)，較高的效率以及簡單的驅(qū)動電路，使IGBT在600V以上的開關(guān)電源、交流電機控制用的PWM逆變器和UPS內(nèi)成功地逐步替代GTR，而且這種趨勢還將繼續(xù)下去。IGBT在600~ 1800V范圍內(nèi)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兼有MOSFET高輸入阻抗、高速特性和GTR大電流密度特性的混合器件。比較圖15功率MOSFET與IGBT的結(jié)構(gòu)圖可以看出，二者除IGBT P+替代MOSFET N+外，幾乎完全一樣，這使IGBT器件的制造在功率MOSFET器件制造的基礎上能很快商業(yè)化，但是它們的工作原理完全不同。圖14功率MOSFET, IGBT的傾定值(a)和功率MOSFET, IGBT, MCT的發(fā)展趨勢(b)圖15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。下面將分別簡要介紹功率MOSFET, IGBT和MCT。 MOS結(jié)構(gòu)電力半導體器件由于GTR, GTO和SITH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，從而促進了新一代具有高輸入阻抗的MOS結(jié)構(gòu)電力半導體器件的開發(fā)。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)電源內(nèi)已逐步被MOSFET以及在電機調(diào)速和UPS內(nèi)正逐步被IGBT所替代。和3μs。圖13示出GTR的額定值和發(fā)展趨勢。 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)電力半導體器件。目前SITH器件已用于高頻感應加熱裝置。由于SITH在開通和關(guān)斷時是在整個硅片面積內(nèi)均勻進行，因此它的di/dt承受能力很高，而再加上dvdt能力至少要比GTO器件高一個數(shù)量極，這此特性大丈降低或消除了因di/dt和dvdt所需的吸收電路。在硬開關(guān)應用中，只需將門極電壓從負變?yōu)檎纯墒筍ITH開通。高Q因子的感應加熱線圈需要一個補償電容器來消除電源與負載之間的環(huán)流無功功率，因此感應加熱逆變器需要做成高Q的諧振負載，這就需要簡單自然換向的快速晶閘管，而高壓領(lǐng)域GTO還將占有一席之地。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內(nèi)失去了應用。雖然相控方法在交流電網(wǎng)內(nèi)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。雖然這些器件已在電力電子技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應用，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。圖11 (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及其發(fā)展趨勢。此后，雙極型半控器件(如:晶閘管、光控晶閘管、逆導晶閘管等)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。下面簡要介紹各類器件的發(fā)展概況。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)。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、γ輻照的壽命控制技術(shù)；器件的CAD技術(shù)；PN結(jié)表面造型及終端技術(shù)；器件的高可靠技術(shù)等；以及由微電子技術(shù)引入的精細加工技術(shù)，等等。 電力半導體器件的分類與發(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力電子器件的發(fā)展水平。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、生命力強的技術(shù)之一。由此可見，電力電子學把器件、裝置、控制系統(tǒng)緊密地聯(lián)系在一起，它們相輔相戍，形成一個具有內(nèi)在系統(tǒng)性的有機體。為了使電路達到更完善的水平，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。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)裝置設備，反映了器件與線路之間的關(guān)系。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。根據(jù)“倒三角”定義，電力電子學就是已晶閘管為主體的功率（電力）半導體器件為核心部件，跨于電力、電子和控制三大領(lǐng)域的一門邊緣學科。 電力半導體器件與電力電子技術(shù)1973年，Newell在第四屆硅電力電子學專家會議（PESC）上提出，電力電子學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科，并用圖1－1的所謂“倒三角”定義來說明。目 錄第一章 電力半導體器件的發(fā)展概況 5 電力半導體器件與電力電子技術(shù) 5 電力半導體器件的分類與發(fā)展 6 雙極型電力半導體器件 6 MOS結(jié)構(gòu)電力半導體器件 9 12（PIC） 13 13第二章 電力整流管 15 電力整流二極管的基本結(jié)構(gòu)和類型 15 15 功率整流管的基本類型 15 PN結(jié)二極管 16 16 PIN二極管 17 PIN二極管的一般理論 17 PIN二極管的正向特性 19 24 PIN二極管的反向恢復 26 二極管的反向耐壓特性與耐壓設計 28 單邊突變結(jié)（P＋N）結(jié)的雪崩擊穿電壓 28 P+NN+二極管的擊穿電壓 29 30 表面造型與保護 32 32 33 整流管的表面造型 37 PN結(jié)的表面鈍化與保護 37 快速整流管 40 反向恢復時間 40 快速整流管高頻應用的原理 40 41 肖特基整流管 41 41 肖特基整流管的結(jié)構(gòu)及其電參數(shù)的特色 42 MPS二極管 43 44 MPS二極管的靜態(tài)特性 44 46第三章 巨型晶體管(GTR) 48 達林頓晶體管 48 48 實用功率達林頓晶體管 49 功率達林頓晶體管中得電阻 50 R1阻值與Ib、Icm的關(guān)系 52 R1 、R2電阻阻值對器件開關(guān)特性得影響 53 功率達林頓器件的版圖設計方法 54 功率達林頓器件的縱向結(jié)構(gòu)與參數(shù)設計 55 高阻層厚度及電阻率的確定 56 56 57 功率達林頓晶體管的特性曲線 58 BVEBO特性曲線 58 BVCEO曲線 58 59 GTR模塊及其特點 59 GTR芯片的設計 61 61 GTR芯片內(nèi)部各管面積的分配 62 GTR芯片內(nèi)部電阻R1~R3的設計 63 64 GTR結(jié)構(gòu)的設計 64 GTR的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 65 GTR的外部結(jié)構(gòu) 67 GTR的電路結(jié)構(gòu) 68第四章 晶閘管靜態(tài)特性 70 概述 70 70 72 晶閘管的耐壓能力 73 73 PNPN結(jié)構(gòu)的正向轉(zhuǎn)折電壓 75 76 晶閘管最佳阻斷參數(shù)的確定 7反向阻斷參數(shù)的確定 79 λ因子設計法 82 P2區(qū)相關(guān)參數(shù)的估算 84 晶閘管的門極特性與門極參數(shù)的計算 89 晶閘管的觸發(fā)方式 89 門極參數(shù) 9觸發(fā)電壓的計算 9電壓的計算 96 晶閘管的通態(tài)特性 99 99 計算晶閘管正向壓降的模型 101 正向壓降的計算 103第五章 晶閘管動態(tài)特性 109 109 晶閘管開通時的電流電壓變化 109 開通過程 111 開通時間 112 等離子區(qū)的擴展 115 開通過程中的功率損耗 118 通態(tài)電流臨界上升率 119 開通過程中的電流上升率(di/dt) 119 提高di/dt耐量的措施 120 斷態(tài)電壓臨界上升率 123 dv/dt引起的開通 123 提高dv/dt耐量的途徑 124 關(guān)斷特性 126 關(guān)斷方法 126 關(guān)斷的物理過程 127 關(guān)斷時間與元件參數(shù)之間的關(guān)系 130 減小關(guān)斷時間的措施 131第六章 耗散功率與散熱 133 133 133 開通耗散功率 134 關(guān)斷耗散功率 134 阻斷耗散功率 134 門極耗散功率 135 135 自然冷卻散熱 136 風冷散熱 136 137 137 138第七章 晶閘管的設計 139 晶閘管設計的特點及原則 139 晶閘管設計的特點 139 設計方法與步驟 139 晶閘管的設計原則 139 晶閘管設計方法 140 設計思想 140 晶閘管設計的主要因素 140 縱向結(jié)構(gòu)的設計 141 橫向結(jié)構(gòu)（門極－陰極圖形）設計 144 晶閘管設計舉例 148 設計技術(shù)指標 148 設計思想 148 設計計算 148 驗算 152第一章 電力半導體器件的發(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，是半導體應用由弱電跨入強電的里程碑。其后平面工藝和外延技術(shù)的發(fā)明，又使半導體器件向兩大分支發(fā)展：一支以晶體管或其它半導體器件組成愈來愈小的集成電路，為適應微型化發(fā)展，形成了以半導體集成電路為主體的新興學科一微電子學；另一分支則是以晶閘管為主體的功率(電力)半導體分立器件，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內(nèi)容的新興邊緣學科——電力電子學。這一定義已被國際上所公認。圖1－1 電力電子學“倒三角”定義作為邊緣學科的電力電子學，它所包含的內(nèi)容及其廣泛，既有半導體器件問題，也有電路、控制、裝置即器件的應用問題。電力半導體器件的發(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用領(lǐng)域，使應用面不斷拓寬和擴大；反過來，電力電子技術(shù)的發(fā)展對器件提出更高的要求，又會促進器件的性能的提高和新器件的發(fā)展。新的器件能促進電路達到新的水平，而新的電路則可禰補器件性能之不足。但是，器件、電路及系統(tǒng)控制的最終目的是要完成一個實用的電力電子裝置。作為一門應用科學，它廣泛應用于科學研究，國民經(jīng)濟中的電力、交通、通訊、冶金、機械、化工、儀器儀表及國防工業(yè)等部門，并逐步推廣到家用電器等應用領(lǐng)域。電力電子技術(shù)作為國民經(jīng)濟各項高技術(shù)發(fā)展的基礎技術(shù)，為大幅度節(jié)能， 機電一體化，提高生產(chǎn)效能提供主要支撐技術(shù)，而電力電子技術(shù)的核心和基礎則是電力半導體器件。器件容量的擴大和結(jié)構(gòu)原理的更新，特別是新型器件的出現(xiàn)都是各種應用技術(shù)發(fā)展的要求和半導體器件理論、半導體材抖、半導體工藝發(fā)展的結(jié)果。電力半導體器件的基本理論，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的達林頓結(jié)構(gòu)形式引伸到各種復合器件，并成為MOS一雙極型復合器件的基本結(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體一躍而成為高科技發(fā)展之列?？傊?，電力半導體已在材料、器件基本理論、設計原理、制造技術(shù)等諸方面形成了自己的體系和發(fā)展方向，成為半導體的一大獨立分支。 雙極型電力半導體器件 50年代第一個晶閘管和雙極晶體管成為商品，標志著固態(tài)電力電子技術(shù)的開始。特別是70年代NTD硅單晶的試制成功，雙擴散工藝的成熟以及雙正角造型技術(shù)的使用，使器件的電壓、電流、頻率等額定值達到很高水平。圖12 (a)和(b)分別示出了GTO