压，从而可使其适当降低肖特基势垒以保持较低正向压降的复 合结构型器件，其结构剖面如图3-24所示。 2. MPS(Merged PN Junction SBD) MPS的结构类似于图3-24所示的JBS复合结构，但其设计目标 和设计方法都与JBS不同。MPS的创意在于引进PN结的电导调 制作用降低SBD在高密度正向电流下的压降。
2.电力电子器件的分类及其特点 电力电子器件按功能分为整流和开关两大类，按基本工作 原理分为单极器件、双极器件和复合型器件三大类。单极 器件指仅由一种载流子(N型半导体中的电子或P型半导体中 的空穴，即多数载流子)导电的器件，双极器件指额外载流 子(热平衡统计数之外的载流子)也参与导电，而且对器件 特性产生重要影响的器件。双极器件完全以PN结作为基本 构成元素，其电导调制效应即归功于PN结正向导通时的额 外载流子注入。
3.2.2 开关原理与频率特性 1. MOS栅原理
2. PN结与MES栅原理
3.电流控制型器件的开关原理 4. PN结的反向恢复过程与双极器件的开关特性
1. MOS栅原理 规定表面的电势比内部高时，VS取正值，反之取负值。表面势
及空间电荷区内电荷的极性随加在金属-半导体间电压(栅压)UG
的变化而变化，表现为载流子堆积、耗尽和反型三种不同特征。 (1) 多数载流子累积 (2) 多数载流子耗尽 (3) 少子变多子的反型状态
3.1.2 发展沿革与趋势
图3-7 功率集成电路的基本功能与构成
3.2 电力电子器件原理与特性 3.2.1 整流原理与阻断特性
3.2.2 开关原理与频率特性
3.2.3 电导调制原理与通态特性 3.2.4 功率损耗原理与高温特性
3.2.1 整流原理与阻断特性 1. PN结
2.肖特基势垒接触
1. PN结 当同一种半导体的N型薄层和P型薄层紧密结合成PN结时，二
2.电力电子器件的分类及其特点
1.电力电子器件的基本构成 1) PN结：P型(以带正电的空穴作为主要载流子)和N型(以电子
为主要载流子)半导体薄层或微区在原子尺度上的紧密结合体；
P层和N层为同种材料者叫同质结，为不同材料者叫异质结。 2) 金属-半导体肖特基势垒接触(MES)：有选择的金属薄层与半 导体表面的紧密接触，具有类似于PN结的单向导电性。 3) 金属-氧化物-半导体系统(MOS)：半导体硅表面经氧化处理 后再淀积一层金属薄膜构成的3层系统，例如Al-SiO2-Si系统。
1. JBS(Junction Barrier SBD)
图3-24
JBS结构剖面图
2. MPS(Merged PN Junction SBD) PIN二极管一般需要在通态损耗和开关损耗之间进行折衷。PIN 二极管反向恢复电流较大的主要原因是正向导通时I区(N-漂移 区)存储的额外载流子密度较大。MPS正向电流密度较高时虽然 也有明显的额外载流子注入，但这些载流子相对于PIN二极管 中的注入载流子而言多一条360°的横向扩展路径，这既提高
正偏置PN结和反偏置PN结的能带结构示意图
1. PN结
1. PN结 PN结有三种不同的击穿机制，分别是雪崩击穿、隧道击穿和热
电击穿。
(1) 雪崩击穿 (2) 隧道击穿 (3) 热电击穿(二次击穿)
1. PN结
图3-10
一个理想硅PN结的伏安特性曲线
(1) 雪崩击穿
(1) 雪崩击穿
(2) 隧道击穿
1. MOS栅原理
图3-15 P型MOS结构在各种下的空间电荷分布和能带图 a) 多数载流子累积 b) 多数载流子耗尽 c) 反型
(1) 多数载流子累积 当UG<0(即金属接负)时，表面势VS为负值，半导体表面层能 带向上翘，但费米能级在热平衡条件下保持不变，如图3-15a 所示。这时，越靠近表面，价带顶距费米能级越近，空穴密 度越高。单就表面而言，只要表面势随栅压绝对值的升高有 一点下降，表面这个地方的空穴密度就会相对于体内有明显 的升高，形成空穴的累积层，电导率比零栅压时高。由于电 离杂质的分布并不因UG而改变，因而此时表面层因负栅压引 起的空穴累积而带正电。 这种用外加电压累积多数载流子而提高表层导电能力的方法 对改善器件性能十分有效，在场效应器件中常有应用。
2.结温与热阻
3.高温特性 (1) 高温通态特性
(2) 高温阻断特性
(1) 高温通态特性
(2) 高温阻断特性
(2) 高温阻断特性
3.3 现代整流二极管 3.3.1 普通肖特基势垒二极管
3.3.2 PN结-肖特基势垒复合二极管
3.3.3 MOS-肖特基势垒复合二极管 3.3.4 改进的PIN二极管
3.电流控制型器件的开关原理 (1) BJT开关原理
(2) 普通晶闸管和GTO的开关原理
(1) BJT开关原理
图3-17 共射极连接NPN 晶体管示意图
(2) 普通晶闸管和GTO的开关原理
图3-18 晶闸管门极触 发机构示意图
(2) 普通晶闸管和GTO的开关原理
图3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ19
PN结二极管关断过程示意图
3.3.3 MOS-肖特基势垒复合二极管
图3-25
TMBS结构示意图
3.3.4 改进的PIN二极管 不借助于其他器件元素，也不必缩短额外载流子寿命(这会影响 其他特性)，功率PIN二极管的反向恢复特性可以通过PN结自身 的结构变化得到明显改善。这就是图3-26所示的SSD(Static Scre ened Diode)。这种结构与常规PIN二极管的不同之处仅在于其P 层不具有均匀的厚度和杂质浓度，而是在较低浓度的浅结P型
3.1.2 发展沿革与趋势 20世纪50年代中后期之前，在电力系统中起整流和开关作用的
有源电子器件主要是真空管和离子管等电真空器件。
自20世纪70年代中后期起，各种通、断两态双可控的大功率开 关器件逐渐开始推广应用。
3.1.2 发展沿革与趋势
图3-6 50V功率MOSFET的比电阻同结构 单元的重复距离及工艺水平的关系
的改善程度依赖于电压的大小。这就是电导调制，是PN结的基
本效应之一，是双极器件通流能力强的根本原因。对P区接负、 N区接正的反偏置状态，偏压-U在空间电荷区中产生的电场与 自建电场方向一致，因而使空间电荷区展宽，电场升高，势垒 高度由qVD增高至q(VD+U)，如图3-9b所示。
1. PN结
图3-9
图3-11 重掺杂PN结的隧道击穿
(3) 热电击穿(二次击穿)
(3) 热电击穿(二次击穿)
图3-12 PN结热电击穿时的 反向伏安特性
2.肖特基势垒接触
2.肖特基势垒接触
图3-13
＞的金属-N型半导体 接触前后的能带图
2.肖特基势垒接触
图3-14 N型半导体肖特基势垒接触在不同偏置状态下的电子势垒
(3) 少子变多子的反型状态
(3) 少子变多子的反型状态
(3) 少子变多子的反型状态
(3) 少子变多子的反型状态
图3-16 临界强反型条件下 的能带图
(3) 少子变多子的反型状态
(3) 少子变多子的反型状态
2. PN结与MES栅原理 空间电荷区中的自由载流子密度极低，利用PN结或MES结构在
现代电力电子学
第3章 现代电力电子器件 3.1 概述
3.2 电力电子器件原理与特性
3.3 现代整流二极管 3.4 功率MOS 3.5 绝缘栅双极晶体管(IGBT) 3.6 宽禁带半导体电力电子器件 3.7 本章小结
3.1 概述 3.1.1 电力电子器件概述
3.1.2 发展沿革与趋势
3.1.1 电力电子器件概述 1.电力电子器件的基本构成
了注入比，也提高了复合率，因而其存储载流子的密度不高，
反向恢复电流较小。计算机模拟表明MPS正向导通时的存储电 荷密度只是相同规格PIN二极管的1/4左右。由于MPS反向恢复
电流的减小不是通过缩短额外载流子寿命来实现的，因而其正
向压降不会升高。
3.3.3 MOS-肖特基势垒复合二极管 将MOS结构结合到SBD之中，利用MOS结构在适当偏压下的载 流子耗尽作用(见图3-15b)，也可像JBS那样在肖特基势垒区之 下再形成一个空间电荷区，使低势垒SBD的反向漏电流大幅度 极低。这种器件名叫TMBS(Trench MOS-Barrier SBD)，其结构 如图3-25所示。
3.3.1 普通肖特基势垒二极管
图3-22
不同整流二极管正向 特性的比较
3.3.1 普通肖特基势垒二极管
图3-23
硅SBD功耗随温度和 势垒高度的变化
3.3.1 普通肖特基势垒二极管
3.3.2 PN结-肖特基势垒复合二极管 1. JBS(Junction Barrier SBD)
JBS是一种利用反偏PN结的空间电荷区为SBD承受较高反向偏
者之间同种载流子密度的悬殊差异引起空穴从P区向N区、电子
从N区向P区扩散。对P区，空穴离开后留下了不可动的带负电 的电离受主，形成负空间电荷区。同样，电子的扩散在PN结附 近的N型侧形成一个由不可动的电离施主构成的正空间电荷区。 这些空间电荷产生从N区指向P区的电场，称之为自建电场。 P N结空间电荷区及其自建电场的建立，反映在载流子的能量关 系上就是如图3-8所示的能带弯曲。
2. PN结与MES栅原理 利用反偏PN结做栅制成的常开型开关器件，除图3-5所示的SIT
H和SIT之外，最典型的还有JFET(结型场效应晶体管)。这种器
件因其开关速度高而广泛应用于微波功率控制。 利用反偏MES结构做栅，可以弥补砷化镓等高电子迁移率材料 和氮化镓等宽禁带材料因不能生长天然氧化物而难以制造高迁 移率MOSFET的不足，由此制成的开关器件MESFET(肖特基栅 场效应晶体管)，是重要的微波功率器件，尤其对微波单片集成 电路(MMIC)的开发具有举足轻重的作用。
2.结温与热阻
3.高温特性
1.功率损耗 (1) 通态损耗