半导体功率器件分类

昵称54017238 2018-03-30

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1958年美国通用电气（GE）公司研发出世界上第一个工业用普通晶闸管，标志着电力电子技术的诞生。从此半导体功率器件的研制及应用得到了飞速发展。

半导体功率器件根据功能分，可以分为三类：不可控、半控型、全控型。

不可控功率器件

功率整流二极管是以半导体PN结为基础的,实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。
快恢复二极管采用外延型PiN结构，其反向恢复时间短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右）。
肖特基二极管是用金属（Ti、Ni等）代替了PN结中的P型半导体，为多子器件，具有更低的正向压降和更好的开关特性，反向恢复时间很短（10~40ns），有利于控制开关损耗，但耐压较低一般低于200V，且反向漏电较大对温度敏感。
符号及电性特征

半控型功率器件

晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称可控硅整流器，以前简称为可控硅；1957年美国通用电气公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和控制极；晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。
符号、结构及工作原理
晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于反向阻断状态。
晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。这时晶闸管处于正向导通状态，这就是晶闸管的闸流特性，即可控特性。
晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。门极只起触发作用。
晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。或加一反向电压，并保持一段时间使其强迫关断。

全控型器件

a).功率晶体管(GTR,巨型晶体管)、双极结型晶体管(BJT)

i. 功率晶体管(Giant Transistor--GTR,巨型晶体管)、双极结型晶体管(BipolarJunction Transistor--BJT)，这两类三极管在半导体功率器件是等效的，在20世纪80年代，在中、小功率范围内取代了晶闸管，但随着MOSFET、IGBT的发展，逐渐被替代。

ii. 一种电流控制的双极双结大功率、高反压电力电子器件，具有自关断能力,产生于上个世纪70年代，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具备晶体管饱和压降低、开关时间短和安全工作区宽等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。GTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。

iii. 和普通三极管一样，他有三个极：发射极e （Emitter）、基极b (Base)和集电极c (Collector)。

iv. 结构及工作原理

以图中NPN型的三极管为例，当基极通入正电流Ib时，N P结正偏，基区就会流入大量的电子。同时，该基极电流Ib不仅使发射极电流增大，而且P基区的电子在阻断的基极-集电极结方向上有很高的载流子浓度梯度，这些电子会扩散进入低掺杂的N-层。如果加一个电场，这些电子就会被电场加速流向集电极。即Ib的电流被放大。

b).门极可关断晶闸管(GTO)

i.GTO（Gate-Turn-Off Thyristor）是门极可关断晶闸管的简称，他是晶闸管的一个衍生器件。但可以通过门极施加负的脉冲电流使其关断，他是全控型器件。

ii.GTO和普通晶闸管一样，是PNPN四层半导体结构，外部也是引出阳极．阴极和门极。但和普通晶闸管不同的是，GTO是一种多元的功率集成器件。虽然外部同样引出三个极，但内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO单元，这些GTO单元的阴极和门极在器件内部并联，他是为了实现门极控制关断而设计的。

iii.具体结构及工作原理见“晶闸管”章节。

c).功率场效应晶体管(MOSFET)

i.功率MOS场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），简称功率MOSFET（Power MOSFET）。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）。其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高（最高可达到1MHz），热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。

ii.结构及工作原理

截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结反偏，漏源极之间无电流流过。

导电：在栅源极间加正电压Ugs，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子—电子吸引到栅极下面的P区表面,当Ugs大于Uth（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结消失，漏极和源极导电。

d).绝缘栅双极晶体管(IGBT)

i.MOSFET具有开关速度快，电压控制的优点，缺点是导通电压降稍大，电流、电压容量不大；双极型晶体管却与它的优点、缺点互异。因而产生了使它们复合的思想；控制时有MOSFET管的特点，导通时具有双极型晶体管特点，这就产生IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）管研制的动机，该管称为绝缘栅双极晶体管，但因为有晶体管的特性，他的工作频率大大降低。

ii.N沟道VDMOSFET与GTR组合形成N沟道IGBT（N-IGBT）IGBT比VDMOSFET多一层P 注入区，形成了一个大面积的P N结。使IGBT导通时由P 注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。

iii.结构、符号及工作原理。

IGBT的开通和关断是由门极电压来控制的。当门极加正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。因此IMOS为IGBT总电流的主要部分。此时，空穴P 区注入到N-区，从而在N-区内产生高浓度的电子，减小了N-区的电阻Rd值，使高耐压的IGBT也具有低的通态压降。

当门极加负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即被关断。由于注入到N-区的空穴是少子，存在少子存储现象。N-区的少子需要时间复合消失，因此IGBT的开关速度比MOSFET慢。