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功率半導(dǎo)體的分類(lèi)
電力電子技術(shù)的核心是電能的變換和控制,常見(jiàn)的有直流轉(zhuǎn)交流(逆變)、交流轉(zhuǎn)直流 (整流)、變頻、變相等。在工程中拓展開(kāi)來(lái)，變得五花八門(mén),應(yīng)用領(lǐng)域非常之廣。但是,千變?nèi)f化離不開(kāi)其核心一一功率電子器件。
功率半導(dǎo)體器件（Power Semiconductor Device）又稱電力電子器件（Power Electronic Device）。
1940年貝爾實(shí)驗(yàn)室在研究雷達(dá)探測(cè)整流器時(shí)，發(fā)現(xiàn)硅存在PN結(jié)效應(yīng)，1958年美國(guó)通用電氣（GE）公司研發(fā)出世界上第一個(gè)工業(yè)用普通晶閘管，標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生。
從此功率半導(dǎo)體器件的研制及應(yīng)用得到了飛速發(fā)展，并快速成長(zhǎng)為電子制造業(yè)的核心器件之一，還獨(dú)立成為電子電力學(xué)科。
作為制造業(yè)大國(guó)，功率半導(dǎo)體器件在中國(guó)大陸的工業(yè)、消費(fèi)、軍事等領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用，具有很高的戰(zhàn)略地位。
功率半導(dǎo)體器件，是一種廣泛用于電力電子裝置的電能變換和控制電路方面的半導(dǎo)體元件。
電力電子裝置的基本構(gòu)思是把連續(xù)的能量流切割成能量小包，處理這些小包并輸送能量，在輸出端使之重新成為另一種連續(xù)的能量流，而這些主要便是依靠功率半導(dǎo)體器件及特定的電路結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
功率半導(dǎo)體按照不同的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)可以進(jìn)行如下分類(lèi)：
①按照控制特性分類(lèi)
不控型器件：即正向?qū)ǚ聪蜃钄?，如常?jiàn)的功率二極管；
半控型器件：除了正負(fù)極，還有控制極，一旦開(kāi)通無(wú)法通過(guò)控制極(柵極)關(guān)斷，這類(lèi)主要是指晶閘管(Thyristor)和它的派生器件；
全控型器件：可通過(guò)柵極控制開(kāi)關(guān)，常見(jiàn)的有雙極結(jié)型晶體管(BJT)、柵極關(guān)斷晶閘管(GTO)、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等等。
②按照載流子性質(zhì)不同分類(lèi)
雙極型：即電子和空穴同時(shí)參與導(dǎo)電，常見(jiàn)的有BJT、GTO；
單極型：只有電子或者空穴的一種載流子參與導(dǎo)電，常見(jiàn)的有結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)、MOSFET、靜電感應(yīng)晶體管(SIT)等；
混合型：常見(jiàn)的有IGBT、電子加強(qiáng)注入型絕緣柵晶體管(IEGT)等。
③按照驅(qū)動(dòng)方式分類(lèi)
電壓型控制器件：以MOSFET和IGBT為主；
光控型器件：以光控晶閘管為主要代表。
④按照不同的制備材料分類(lèi)
主要分為硅器件，以及以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為主的寬禁帶器件。
不同的應(yīng)用場(chǎng)合根據(jù)所需半導(dǎo)體器件的電流電壓等級(jí)來(lái)選擇器件的種類(lèi)。
半導(dǎo)體功率器件根據(jù)功能分：不可控、半控型、全控型。
半導(dǎo)體材料的發(fā)展:
第一代: Si、 Ge等元素半導(dǎo)體材料,促進(jìn)計(jì)算機(jī)及IT技術(shù)的發(fā)展，也是目前功率半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)材料;
第二代: GaAs、InP等化合物半導(dǎo)體材料,主要用于微波器件、射頻等光電子領(lǐng)域;
第三代: SiC、GaN等寬禁帶材料,未來(lái)在功率電子、射頻通信等領(lǐng)域非常有應(yīng)用前景。
功率半導(dǎo)體器件應(yīng)用
不控器件:典型器件是電力二極管,主要應(yīng)用于低頻整流電路 ;
半控器件:典型器件是晶閘管,又稱可控硅,廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)、逆變及變頻等電路中,應(yīng)用場(chǎng)景多為低頻;
全控器件:應(yīng)用領(lǐng)域最廣,典型為GTO、GTR、 IGBT、 MOSFET ,廣泛應(yīng)用于工業(yè)、汽車(chē)、軌道牽引、家電等各個(gè)領(lǐng)域。
GTO :門(mén)極可關(guān)斷晶閘管
GTR :電力晶體管
IGBT :絕緣柵雙極性晶體管
MOSFET :金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管
汽車(chē)領(lǐng)域及大部分工業(yè)領(lǐng)域目前最常用的全控器件，全控器件的基本應(yīng)用場(chǎng)景可以用下面這張示意圖概括。
不可控功率器件
功率整流二極管是以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)的,實(shí)際上是由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。
快恢復(fù)二極管采用外延型PiN結(jié)構(gòu)，其反向恢復(fù)時(shí)間短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右）。
肖特基二極管是用金屬（Ti、Ni等）代替了PN結(jié)中的P型半導(dǎo)體，為多子器件，具有更低的正向壓降和更好的開(kāi)關(guān)特性，反向恢復(fù)時(shí)間很短（10~40ns），有利于控制開(kāi)關(guān)損耗，但耐壓較低一般低于200V，且反向漏電較大對(duì)溫度敏感。
符號(hào)及電性特征
半控型功率器件
晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，又稱可控硅整流器，以前簡(jiǎn)稱為可控硅；1957年美國(guó)通用電氣公司開(kāi)發(fā)出世界上第一款晶閘管產(chǎn)品，并于1958年將其商業(yè)化；
晶閘管是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，它有三個(gè)極：陽(yáng)極，陰極和控制極；晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過(guò)程可以控制、被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。
符號(hào)、結(jié)構(gòu)及工作原理
晶閘管承受反向陽(yáng)極電壓時(shí)，不管門(mén)極承受何種電壓，晶閘管都處于反向阻斷狀態(tài)。
晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，僅在門(mén)極承受正向電壓的情況下晶閘管才導(dǎo)通。這時(shí)晶閘管處于正向?qū)顟B(tài)，這就是晶閘管的閘流特性，即可控特性。
晶閘管在導(dǎo)通情況下，只要有一定的正向陽(yáng)極電壓，不論門(mén)極電壓如何，晶閘管保持導(dǎo)通，即晶閘管導(dǎo)通后，門(mén)極失去作用。門(mén)極只起觸發(fā)作用。
晶閘管在導(dǎo)通情況下，當(dāng)主回路電壓（或電流）減小到接近于零時(shí)，晶閘管關(guān)斷?；蚣右环聪螂妷海⒈３忠欢螘r(shí)間使其強(qiáng)迫關(guān)斷。
全控型器件
（1）功率晶體管(GTR,巨型晶體管)、雙極結(jié)型晶體管(BJT)
1.功率晶體管(Giant Transistor--GTR,巨型晶體管)、雙極結(jié)型晶體管(BipolarJunction Transistor--BJT)，這兩類(lèi)三極管在半導(dǎo)體功率器件是等效的，在20世紀(jì)80年代，在中、小功率范圍內(nèi)取代了晶閘管，但隨著MOSFET、IGBT的發(fā)展，逐漸被替代。
2. 一種電流控制的雙極雙結(jié)大功率、高反壓電力電子器件，具有自關(guān)斷能力,產(chǎn)生于上個(gè)世紀(jì)70年代，其額定值已達(dá)1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。
它既具備晶體管飽和壓降低、開(kāi)關(guān)時(shí)間短和安全工作區(qū)寬等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所組成的電路靈活、成熟、開(kāi)關(guān)損耗小、開(kāi)關(guān)時(shí)間短，在電源、電機(jī)控制、通用逆變器等中等容量、中等頻率的電路中應(yīng)用廣泛。GTR的缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞。
3.和普通三極管一樣，他有三個(gè)極：發(fā)射極e （Emitter）、基極b (Base)和集電極c (Collector)。
4.結(jié)構(gòu)及工作原理
以圖中NPN型的三極管為例，當(dāng)基極通入正電流Ib時(shí)，N P結(jié)正偏，基區(qū)就會(huì)流入大量的電子。
同時(shí)，該基極電流Ib不僅使發(fā)射極電流增大，而且P基區(qū)的電子在阻斷的基極-集電極結(jié)方向上有很高的載流子濃度梯度，這些電子會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入低摻雜的N-層。如果加一個(gè)電場(chǎng)，這些電子就會(huì)被電場(chǎng)加速流向集電極。即Ib的電流被放大。
（2）門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)
1.GTO（Gate-Turn-Off Thyristor）是門(mén)極可關(guān)斷晶閘管的簡(jiǎn)稱，他是晶閘管的一個(gè)衍生器件。但可以通過(guò)門(mén)極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，他是全控型器件。
2.GTO和普通晶閘管一樣，是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部也是引出陽(yáng)極．陰極和門(mén)極。但和普通晶閘管不同的是，GTO是一種多元的功率集成器件。
雖然外部同樣引出三個(gè)極，但內(nèi)部包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO單元，這些GTO單元的陰極和門(mén)極在器件內(nèi)部并聯(lián)，他是為了實(shí)現(xiàn)門(mén)極控制關(guān)斷而設(shè)計(jì)的。
（3）功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)
1.功率MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），簡(jiǎn)稱功率MOSFET（Power MOSFET）。
結(jié)型功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction Transistor——SIT）。
其特點(diǎn)是用柵極電壓來(lái)控制漏極電流，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高（最高可達(dá)到1MHz），熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR，但其電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置。
2.結(jié)構(gòu)及工作原理
截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。
導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓Ugs，柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過(guò)。但柵極的正電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推開(kāi)，而將P區(qū)中的少子—電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面,當(dāng)Ugs大于Uth（開(kāi)啟電壓或閾值電壓）時(shí)，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過(guò)空穴濃度，使P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)消失，漏極和源極導(dǎo)電。
（4）絕緣柵雙極晶體管(IGBT)
1.MOSFET具有開(kāi)關(guān)速度快，電壓控制的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是導(dǎo)通電壓降稍大，電流、電壓容量不大；雙極型晶體管卻與它的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)互異。
因而產(chǎn)生了使它們復(fù)合的思想；控制時(shí)有MOSFET管的特點(diǎn)，導(dǎo)通時(shí)具有雙極型晶體管特點(diǎn)，這就產(chǎn)生IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）管研制的動(dòng)機(jī)，該管稱為絕緣柵雙極晶體管，但因?yàn)橛芯w管的特性，他的工作頻率大大降低。
2.N溝道VDMOSFET與GTR組合形成N溝道IGBT（N-IGBT）IGBT比VDMOSFET多一層P 注入?yún)^(qū)，形成了一個(gè)大面積的P N結(jié)。使IGBT導(dǎo)通時(shí)由P 注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流能力。
3.結(jié)構(gòu)、符號(hào)及工作原理。
IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷是由門(mén)極電壓來(lái)控制的。當(dāng)門(mén)極加正電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導(dǎo)通。
因此IMOS為IGBT總電流的主要部分。此時(shí)，空穴P 區(qū)注入到N-區(qū)，從而在N-區(qū)內(nèi)產(chǎn)生高濃度的電子，減小了N-區(qū)的電阻Rd值，使高耐壓的IGBT也具有低的通態(tài)壓降。
當(dāng)門(mén)極加負(fù)電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT即被關(guān)斷。由于注入到N-區(qū)的空穴是少子，存在少子存儲(chǔ)現(xiàn)象。N-區(qū)的少子需要時(shí)間復(fù)合消失，因此IGBT的開(kāi)關(guān)速度比MOSFET慢。
功率器件封裝介紹
封裝是溝通芯片和外部電路的橋梁，其主要功能有：
①實(shí)現(xiàn)芯片和外界的電氣連接；
②為芯片提供機(jī)械支撐，便于處理和焊接；
③保護(hù)芯片，防止環(huán)境的物理或化學(xué)損傷；
④提供散熱通道。
分立式(Discrete)封裝普遍應(yīng)用于小功率范圍。這種封裝的器件要焊接到印刷電路板上。由于其功率損耗相對(duì)較小，散熱要求不太高，這種封裝的設(shè)計(jì)大多不采用內(nèi)部絕緣，因而每個(gè)封裝中只能有一個(gè)開(kāi)關(guān)。
晶體管大多數(shù)采用這種類(lèi)型的封裝，因此稱之為"晶體管外形"(TO，Transistor Outline)封裝，如TO-220和TO-247比較流行的TO封裝形式。
分立式封裝的設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)如下功能：
①負(fù)載電流和控制信號(hào)的傳導(dǎo)；
②散熱；
③保護(hù)器件不受環(huán)境影響；
MOSFET是采用TO封裝最常見(jiàn)的功率器件。對(duì)于MOS，目前已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)導(dǎo)通電阻Ron的大幅降低。于是TO封裝的缺陷就逐步凸顯出來(lái)了，TO封裝的寄生電阻和Ron有著相同大的數(shù)量級(jí)。
由于PCB的通孔是標(biāo)準(zhǔn)的，且需要滿足和保持引線間的最小絕緣距離要求，所以不能簡(jiǎn)單的通過(guò)對(duì)引腳的截面積加粗，但可以蓋面截面積的形狀來(lái)降低引腳的寄生電阻。
TO封裝的另一個(gè)弱點(diǎn)是，為了減小成本而基本采用鋁線連接。要改善電阻損耗只有加粗導(dǎo)線或者增加引線數(shù)量，但是這樣一來(lái)，雜散電感又是一個(gè)問(wèn)題。所以，為了盡可能高效地利用有限地PCB空間，IC器件地便面貼裝技術(shù)(SMT)也被用到了小功率器件，主要有SOT、SOP等封裝類(lèi)型，如：
中大功率的應(yīng)用則由單管向模塊封裝發(fā)展。單管和模塊各有優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用場(chǎng)景和具體需求不同而使兩者依舊在朝前發(fā)展。
分立式封裝中還有一種叫作壓接封裝(Press Packs)或餅形封裝(Capsules)的，主要應(yīng)用于功率模塊尚不能達(dá)到的高功率范圍。在極高功率范圍，功率芯片的大小可以是一個(gè)整晶圓，如下圖，所以具有圓形管腳的培養(yǎng)皿型封裝是圓形芯片的理想封裝形式。
為了均衡壓力，避免出現(xiàn)壓力峰值，鬼期間裝在兩塊金屬片之間。鉬因其高硬度和良好的熱膨脹系數(shù)則成為最理想的金屬材料。硅芯片在陽(yáng)極一側(cè)與一塊鉬圓盤(pán)底座剛性地?zé)Y(jié)在一起，然后在陰極一側(cè)壓接到第二個(gè)鉬圓片上，使芯片處于封裝內(nèi)部中央對(duì)準(zhǔn)地位置。
編輯：黃飛
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論