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技术交流

Technology Exchange
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功率半导体器件学习笔记

发布时间:2022-11-21作者来源:萨科微浏览:2244


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[敏感词]代半导体Si基

二极管

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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

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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

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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:

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电压及频率:100-500V:中低压,低频。

沟槽型MOSFET:

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电压及频率:12-250V:低压,高频。

超结型MOSFET:

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电压及频率:500-900V:高压,高频。

屏蔽栅MOSFET:

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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

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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

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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,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IGBT600-1350V, 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IGBT1400-2500V,地铁、城轨电极驱动、太阳能电池;高压IGBT2500-6500V,轨道牵引、智能电网、大型工业设备。
技术演变过程:

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朝着高压、低功耗的方向不断发展

  • 晶闸管


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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

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• 二极管

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三极管

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• MOSFET

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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[敏感词],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领先优势,以及在新能源车、光伏等领域的应用优势。

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第三代半导体SiC器件

SBD:Schottky barrier diode ,肖特基二极管

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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 V5~20 A150~200 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 

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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 

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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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