功率半导体器件学习笔记

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2022-11-21 18:39:32 908

*代半导体Si基

二极管

简介：单个PN结结构，导通和断开两种状态，不具备放大，单向导通；? 无外部电流、电压控制，就是0和1的状态，电压电流较小。

应用：各种电子设备，工业设备。

晶体管：BJT

简介：背靠背的PN结结构，通过电流驱动实现线性放大功能，具有放大工作区域，能够实现电流放大作用；耐压较高，导通电子较低，能放大电流，但是有拖尾电流，限制了开关速度。

应用：放大器电路、驱动扬声器、电动机等。

电压及频率： 20-1700V，≤20kHz。

晶体管：MOSFET

简介：单个MOS管子，载流子数量相对IGBT要少、耗尽层区域小，所以耐压较低；单个结构，载流子少，耗尽层区域小也使得其电流拖尾效应小，因此频率更高，开关速度更快。

频率：100-1000KHz。

平面型MOSFET:

电压及频率：100-500V：中低压，低频。

沟槽型MOSFET：

电压及频率：12-250V：低压，高频。

超结型MOSFET：

电压及频率：500-900V：高压，高频。

屏蔽栅MOSFET：

电压及频率：30-300V：中低压，高频。

电压及应用：中低压＜500V

20-100V：手机、数码相机、电动自行车；
110-500V：LCD显示器、电热水器、背投电视

高压：＞500V
500-800V：车灯、电源、电极控制
800-1000V：电焊机、变频器
＞1000V：高压变频器、发电设备

技术演变过程

朝着高压、高频发展，器件的小型化提高了工作频率，降低了导通电子，提高了开关速率，工艺提升保证了降低芯片面积的同时提高了耐压特性；

IGBT

简介：IGBT是由MOSFET和BJT两个结构串联形成的器件，其中载流子数量会更多，耗尽层区域更大，能够承受更高的电压阈值；载流子的增多、耗尽层区域的增大使得电流的拖尾效应增强，所以开关的速度和频率更低。

频率＜100KHz。

分类：穿透，非穿透，场截止，平面栅，沟槽栅。

电压及应用：超低压IGBT：小于600V，内燃机点火器、数码相机等消费电子；低压IGBT：600-1350V，新能源汽车、UPS电源、白色家电、电焊机、工业变频器、太阳能电池；中压IGBT：1400-2500V，地铁、城轨电极驱动、太阳能电池；高压IGBT：2500-6500V，轨道牵引、智能电网、大型工业设备。

技术演变过程：

朝着高压、低功耗的方向不断发展

晶闸管

简介：晶闸管不具备放大功能，两个同向的PN结是没有线性放大工作区域的，只有导通、关断的功能；体积小、耐高压，但是需要额外的关断电路。

应用：UPS电源、电焊机、变频器等。

电压及频率：100-3000V，≤10kHz。

价格

单管价格

? IGBT

? 二极管

? 三极管

? MOSFET

器件价格

从MOSFET、晶闸管、二极管等各类功率器件来看，东微半导定价最高，达到2.84元/颗。这主要来源于其在高压超级结MOSFET、中低压沟槽栅MOSFET以及超级硅MOSFET等主营产品上的技术*优势，以及在新能源车、光伏等领域的应用优势。

第三代半导体SiC器件

SBD：Schottky barrier diode ，肖特基二极管

SiC 肖特基二极管的主要优势在于其正向压降低，有助于降低通态损耗；同时它作为单极型器件，无少子存储和反向恢复现象，可以实现较高的开关频率，有助于充分发挥 SiC件的优势。所以在中低电压、中小电流、中高频的（600~3000 V、5~20 A、150~200 kHz）的应用场合，SiC肖特基二极管迅速取代了Si FRD。肖特基结构的主要问题是由于其势垒高度较低，且存在镜像力势垒降低效应，所以其反向漏电流较大，且随反向电压增加，击穿特性较弱。

在实际应用中，肖特基二极管的设计存在正向压降和反向漏电之间的权衡取舍。对于纯肖特基二极管而言，这只能通过选取不同的金属种类来实现。使用接触势垒较高的金属（如 Ni），可以实现较小的漏电流，但是正向导通压降将会增加；使用接触势垒较低的金属（如 Ti），可以实现较低的正向压降，但是反向漏电将会增加。

考虑到势垒钉扎效应的影响，实际上不同金属种类之间的势垒差比金属功函数更小，改变金属种类对器件性能的影响并不显著

应用方向：中低电压、中小电流、中高频的（ 600~3000 V、 5~20 A、 150~200 kHz）的应用场合

JBS：Junction barrier Schottky diode，结势垒肖特基二极管

为了给器件设计增加更多的自由度，在不显著恶化正向导通性能的情况下抑制反向漏电。

在 JBS 二极管中，阳极金属下方的肖特基接触部分和 P+区部分交错排列。在正偏时，仅有肖特基接触部分参与导电，器件的特性类似纯肖特基二极管；在反偏时，肖特基结两侧的 P+区和 N-外延层构成的 P+/N-结形成的耗尽区相互接触，对肖特基接触形成了屏蔽，显著降低了其下方的电场强度，从而降低了漏电流。通过改变 P+区和肖特基区的尺寸，在保持肖特基金属不变的前提下，很容易地调节器件的正向和反向特性；同时， JBS 二极管还保留了纯肖特基二极管单极性导通、开关速度快的优势，所以 JBS 二极管很快就代替了纯肖特基二极管，成为了 Si 肖特基二极管的主要形式。

SiC JBS 二极管和纯肖特基二极管一样，几乎没有反向恢复过程，非常适合高频应用。

应用方向：在 600~3500 V 范围内最常用。

MPS：Merged PiN Schottky

在各种可靠性性能中，抗浪涌电流冲击能力是非常重要的一个可靠性指标。抗浪涌电流冲击能力指的是器件承受大电流脉冲的能力。当浪涌电流出现时，大电流脉冲流过器件，产生相应的电压降，进而产生较大的发热功率，导致器件的温度在短时间内急剧上升，最终可能使得器件内部某部分材料被烧毁，导致器件失效。具有高浪涌可靠性的器件能平稳度过大电流脉冲，不发生失效和明显的特性退化，有助于提高整个系统的可靠性。为了提高器件的浪涌可靠性，在 JBS 二极管的基础上提出了 MPS (Merged PiN Schottky)二极管。

在 MPS 二极管中，除了小尺寸 P+区外，还有用于提高器件浪涌可靠性的大尺寸P+区。其中小 P+区的作用和 JBS 二极管中的 P+区完全相同，而大 P+区的作用在于提高器件在大电流下的导通能力。在大电流下，大 P+区对应的 PN 结将会开启，并向器件的漂移区注入少数载流子；由此产生的电导调制效应将会极大地降低器件的电阻。MPS 二极管的概念和 JBS 二极管从器件的结构特征来说，并没有本质的区别，都是 P+区与肖特基区的交替排列。区别在于其工作模式：在 JBS 二极管中， P+区仅仅在器件处于反偏时屏蔽高电场，以减小肖特基结处的漏电，在器件处于正偏时并不起作用；在 MPS 二极管中， P+区在器件处于反偏时起到相同的作用，同时在器件处于正偏且正偏电压较大时，同样会参与导电，以提高器件双极导通能力。

与Si相比，由于 SiC 材料相比 Si 材料有着更高的击穿场强，因此 SiC 肖特基二极管可以用薄得多的外延层实现相同的耐压。在正常导通时， SiC 肖特基二极管的压降天然就比 Si 肖特基二极管小，无需使器件进入双极导通状态。所以 SiC MPS 二极管中的 P+区逐渐变成了仅在大电流下导通、增强器件浪涌可靠性的手段。

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