载流子可区分为多数载流子和少数载流子两种。多数载流子主要由掺杂所提供的，在室温下，其浓度与温度的关系不大（杂质全电离），而少数载流子主要由本征激发所产生，则随着温度的升高将呈指数式增加。少数载流子可由于复合而消失，因此在产生和复合之间的平均时间间隔称为其寿命时间（从ns到μs）。少子在浓度梯度驱动下，将一边扩散、一边复合，在其寿命时间内产生很大的浓度梯度，从而可输运很大的电流。例如数百上千安培工作电流的晶闸管和双极型器件（包括IGBT的晶体管部分）均是少数载流子工作的器件。

PN结的开关时间主要是指关断时间，该时间就是导通时注入扩散区中的少子电荷消失的过程时间。器件温度的增高使得耗尽区载流子寿命增加，从而降低了载流子复合和衰减的速度，而电流放大系数随温度的增加也使得更多的电流需要复合，两者一起使得电荷消失的时间加大，延长了关断过程。从而器件的关断时间随温度上升而增加，也即开关速度降低以5SNA1500E300为例，结温25℃时关断延迟时间td（off）和下降时间tf分别为1600 ns和390 ns；而150℃时上升为1800 ns和470 ns，分别增加了12.5％和20.5％。两者之和增加了14.1％，即温度对于IGBT关断过程存在明显影响。而开通时间由于开通延迟时间td（on）为负温度系数，上升时间tr为正温度系数，作为两者之和的开通时间从25℃升到150℃由890 ns降到870 ns，减少2％左右，可以认为基本不变［37］。

器件在截止时的阻断特性，主要体现为PN结的反向漏电流。少数载流子寿命越长，反向漏电流越小，器件阻断特性越好。当少数载流子寿命减少到一定程度时，反向电流会急剧上升，出现所谓的软阻断特性。

PN结的通态特性主要体现在其通态压降和导通电阻上。因为一般PN结的正向电流主要是少子扩散电流，所以少子寿命越短，浓度梯度越大，正向电流就越大，通态压降也就越小。

总之，提高器件的阻断能力和降低通态压降要求少子的寿命尽可能长。而提高开关速度则要求少子寿命越短越好。这些矛盾的要求需要在设计和使用时加以兼顾。

IGBT的正向击穿电压是由于击穿和电流放大引起的雪崩现象决定的。

当IGBT承受外部阻断电压时，内部空间电荷区最大电场强度超过某一临界值时，在反偏电压驱动下从中性区边界漂移进来的载流子受电场加速获得很高的动能，这些高能量的载流子在空间电荷区与点阵原子碰撞时使之电离，产生新的电子－空穴对，而碰撞电离产生的新的载流子在耗尽层电场中立刻得到加速，和原载流子一起碰撞晶格产生更多的载流子，就这样在空间电荷区倍增的作用下，如雪崩一样使得载流子和反向电流急剧增大。这个使得PN结电场增强到该临界值的外部电压称为IGBT的雪崩击穿电压。实际上，在载流子穿过一个散射平均自由程的过程中，一旦获得电离碰撞所需的能量时，击穿就会发生。而当温度升高时由于晶格散射作用增强，这意味着平均自由程的减少，为了满足雪崩击穿的条件，则需要一个更高的临界电场，即一个更高的击穿电压。这意味着击穿电压会随温度的升高而稍有增加，即击穿电压表现出小的正温度系数特性。击穿电压与温度之间存在正相关关系，即温度每上升100 K，击穿电压相应升高10％［38］，见表1－7。

表1－7 不同温度下的雪崩击穿电压(www.daowen.com)

虽然器件工作在最大器件结温以下，但在钝化作用下，硅材料表面的离子迁徙也会导致器件性能长期退化，并导致器件失效。

从图1－16中可以看出，结温的升高直接导致器件故障率的上升。以器件工作电压为额定电压的一半时为例，当结温由50℃升高到100℃时器件千小时故障率将由0.001提高到0.1左右，即故障率提高了约100倍［33］。

图1－16 晶闸管故障率与施加电压和结温的关系（由于离子在结钝化迁徙造成

综上所述，随着电力电子器件电压增高，功率容量增加，集成化程度增加，电力电子器件热流密度也不断增加，器件的过热已经成为器件自身和装置失效的首要原因。为了保证电力电子装置的正常工作，必须将器件的工作温度控制在允许的最大结温之内，所以进行散热设计，对热能进行管理就成为与装置的电气设计同等重要的问题。