理论教育 按载流子性质分类的电力半导体器件

按载流子性质分类的电力半导体器件

时间:2023-06-28 理论教育 版权反馈
【摘要】:按照电力半导体器件中载流子的性质可以分为3大类型:双极型、单极型和混合型。但是结型场效应晶体管等器件,其工作时器件内仅有多数载流子参与导电,还是属于单极型器件。GTO是四层结构的双极型器件,是目前耐压最高、电流容量最大的一种全控型器件。它是指功率器件与驱动电路、控制电路、保护电路等的总体集成,是更高层次的电力半导体器件。

按载流子性质分类的电力半导体器件

按照电力半导体器件中载流子的性质可以分为3大类型:双极型、单极型和混合型。

1.双极型器件

双极型器件是指在器件内部电子和空穴两种载流子都参与导电过程的半导体器件,都是基于PN结原理的结型半导体器件,也称结型器件。但是结型场效应晶体管(JFET)等器件,其工作时器件内仅有多数载流子参与导电,还是属于单极型器件。双极型器件的通态压降低、阻断电压高、电流容量大、开关频率一般不高,适用于中大容量的变流装置。常见的有BJT、GTO、GCT(IGCT中的门极换流晶闸管,不包括门极电路)等。

BJT是三层结构的双极型器件,它具有控制方便、开关时间短、通态压降低、高频特性好等优点,但存在着二次击穿的问题和耐压难以提高的缺点,阻碍了它的进一步发展。从制造工艺上看,它已相当成熟,产品已基本上实现模块化,即将BJT管芯、续流二极管,甚至包括辅助元器件组装成功能单元,根据不同要求将若干个单元封装在同一个塑料外壳里。

GTO是四层结构的双极型器件,是目前耐压最高、电流容量最大的一种全控型器件。其派生形式较多,如逆阻型、逆导型、无反压型、掩埋门极型、放大门极型以及MOS型等。这种器件的缺点是关断增益较小,门极反向关断信号的容量要求大;为了限制du/dt及关断损耗,仍需设置专门的吸收电路,需要消耗一定的能量。但与传统的晶闸管相比,在体积、重量、效率可靠性诸方面有较明显的优势,这种GTO通过寿命控制技术折中了导通电压和关断损耗之间的矛盾,因此在许多高电压、大电流领域取代了传统的晶闸管。

2.单极型器件

单极型器件是指器件内只有一种载流子(即多数载流子)参与导电过程的电力半导体器件,这类器件的开关频率一般较高,耐压为几百V的器件的最高开关频率可以达到几十到几百kHz,耐压较高的器件通态损耗较大是其缺点之一,通常用在一些功率等级较小的电力电子变换器上,如笔记本电脑适配器等。典型器件有功率场效应晶体管(Power MOSFET)和静电感应晶体管(SIT)两种。

功率MOSFET为电压控制型器件,具有驱动功率小、开关速度高、无二次击穿问题、安全工作区宽等显著特点。这种器件还具有电流负温度系数、良好的电流自动调节能力、良好的热稳定性和较高的抗干扰能力等优点。其缺点是通态电阻大、导通压降较高。另外,由于导电机理和结构的特点,其电流容量和耐压提高难度较大。它常用于中小功率、开关频率较高的变换装置中。

SIT是一种三层结构的多数载流子器件,具有非饱和输出特性,不仅可工作在开关状态,也可工作在放大状态,具有输出功率大、失真小、输入阻抗高、开关特性好、热稳定性好、抗辐射能力强等一系列优点。

需要注意的是,肖特基二极管和结型场效应晶体管(JFET)等器件工作时,其器件内部只有多数载流子参与导电行为,属于单极型器件,这类器件的开关频率甚至可以达到MHz级。(www.daowen.com)

3.混合型器件

混合型器件也可称作复合型器件,它是由双极型器件和单极型器件集成混合而成。它们利用耐压高、电流密度大、导通压降低的双极型器件(如SCR、GTO、BJT等)作为功率输入输出通道,而用输入阻抗高、响应速度快的单极型器件MOS结构作为控制通道,因而兼备了两者的优点。这类器件的典型代表有IGBT和IEGT等,而IGCT和智能功率模块(IPM)等是通过器件外部实现两类器件混合的器件。

IGBT由于其突出的性能获得越来越广泛的应用。它具有大功率晶体管的导通压降低,通流密度大等优点,又同时兼具MOSFET的开关频率高、开关损耗低、控制方便等优点。因此,IGBT发热少,驱动功率小,体积趋于更小。同时,IGBT的安全工作区宽,噪声低,驱动保护十分容易,具有正电阻温度系数的IG-BT可以并联运行。

IGCT是集成门极驱动电路和门极换流晶闸管(GCT)的总称。其特性介于GTO与IGBT之间,具有功率大、耐压高、开关频率较高、驱动功率小等特点,适合用于中高压变换器中的开关器件。

IEGT是一种电子加强注入型绝缘栅极晶体管,其栅极具有巧妙的沟状构造,采用电子加强注入技术,再加上精密设计的特殊阴极结构,使它既能保持IGBT的优良关断特性,又能在大电流情况下通态电压降低。

SITH(静电感应晶闸管)是用栅极控制开通和关断的器件,可以认为是在SIT基础上发展起来的器件。根据结构的不同,可分为常开型和常闭型。这种器件通态电阻小、通态压降低、开关速度快、开关损耗小、关断电流增益大;但是这种器件的制造工艺比较复杂,成本较高,一般只在一些特定的电力电子变换器中使用。

IPM也是混合型器件。它是指功率器件与驱动电路、控制电路、保护电路等的总体集成,是更高层次的电力半导体器件。这种器件实现了功率器件与电路的总体集成,使强电与弱电达到了有机的结合。

随着电力半导体器件的不断发展,新材料、新工艺和新技术的采用,一些分类方法并不能很好地体现电力半导体器件的区别,因此也产生其他一些分类方法。比如,随着宽禁带材料的使用,基于SiC和GaN材料的器件正成为器件领域研究的热点问题,此时可以按照材料特性对器件进行分类,如硅器件、SiC器件和GaN器件等。同样,随着器件在变换器中的安装形式不同,根据器件的封装对器件进行分类,如压接式器件、模块式器件等,一般的压接式器件的电流容量都较大。其他一些分类方式不在一一赘述。

免责声明:以上内容源自网络,版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。

我要反馈