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功率半導(dǎo)體器件這種筆記(2)

CHANBAEK ? 來(lái)源:心蘭相隨tcad ? 作者:zgc ? 2023-12-03 16:34 ? 次閱讀

1、淺談二極管

下面是貼片二極管封裝圖,一般帶白線的是陰極,如果不清楚,就用萬(wàn)用表調(diào)制二極管檔,當(dāng)出現(xiàn)零點(diǎn)幾伏壓降的時(shí)候,紅表筆就代表二極管陽(yáng)極,黑表筆代表陰極。

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順便說(shuō)一下貼片MOS和IGBT封裝圖,中間的是高壓端,下面有大塊金屬的用來(lái)散熱的,如果有體二極管,將gs短接(保證Vgs=0)作為二極管陽(yáng)極,漏作為二極管陰極。

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(1)PN結(jié)

對(duì)于P型半導(dǎo)體,空穴是多子,電子是少子。對(duì)于N型半導(dǎo)體,電子是多子,空穴是少子。P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體接觸,且不加任何外加電壓時(shí),由于濃度差,P區(qū)的空穴會(huì)向N區(qū)擴(kuò)散,N區(qū)的電子會(huì)向P區(qū)擴(kuò)散。在接觸的界面(就是PN結(jié)),P區(qū)的空穴擴(kuò)散到N區(qū)使得P區(qū)界面留下不可移動(dòng)帶負(fù)電荷離子,N區(qū)的電子擴(kuò)散到P區(qū)使得N區(qū)界面留下不可移動(dòng)帶正電荷的離子。這樣就在PN結(jié)交界面處形成了由N指向P的內(nèi)建電場(chǎng),使得電子又從P漂移到N區(qū),空穴從N區(qū)漂移到P區(qū),與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是個(gè)相反的過(guò)程。當(dāng)載流子擴(kuò)散的速度等于其漂移速度時(shí),就達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡,這個(gè)空間電荷區(qū)缺少多子,這就是PN結(jié)形成的過(guò)程和特點(diǎn)。

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(2)正向性
外加正向電壓時(shí),在正向特性的起始部分,正向電壓很小,不足以克服PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的阻擋作用,正向電流幾乎為零,這一段稱為死區(qū)。這個(gè)不能使二極管導(dǎo)通的正向電壓稱為死區(qū)電壓。當(dāng)正向電壓大于死區(qū)電壓以后,PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)被克服,二極管正向?qū)ǎ娏麟S電壓增大而迅速上升。在正常使用的電流范圍內(nèi),導(dǎo)通時(shí)二極管的端電壓幾乎維持不變,這個(gè)電壓稱為二極管的正向電壓。當(dāng)二極管兩端的正向電壓超過(guò)一定數(shù)值Vth,內(nèi)電場(chǎng)很快被削弱,特性電流迅速增長(zhǎng),二極管正向?qū)ā9瓒O管的正向?qū)▔航导s為0.6~ 0.8V,鍺二極管的正向?qū)▔航导s為0.2~0.3V。導(dǎo)致二者不同的根本原因在于其禁帶寬度不同。

根據(jù)二極管的電流方程:

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可以繪出下圖二極管伏安特性曲線。

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二極管伏安特性曲線圖

(3)反向性

外加反向電壓不超過(guò)一定范圍時(shí),通過(guò)二極管的電流是少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)所形成反向電流。由于反向電流很小,二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。這個(gè)反向電流又稱為反向飽和電流或漏電流,二極管的反向飽和電流受溫度影響很大。一般硅管的反向電流比鍺管小得多,小功率硅管的反向飽和電流在nA數(shù)量級(jí),小功率鍺管在μA數(shù)量級(jí)。溫度升高時(shí),半導(dǎo)體受熱激發(fā),少數(shù)載流子數(shù)目增加,反向飽和電流也隨之增加。
由上面二極管電流方程可知,當(dāng)U大于死區(qū)電壓時(shí),e的指數(shù)值很大,-1可以忽略,而當(dāng)U小于0,e的指數(shù)為負(fù)數(shù),趨近于0,所以I約等于Is,即漏電流。

(4)二極管電容特性

勢(shì)壘電容:由勢(shì)壘區(qū)的空間電荷隨外加電壓變化而引起。

擴(kuò)散電容:由勢(shì)壘區(qū)兩邊積累的非平衡少子電荷隨外加電壓變化而引起。

PN 結(jié)是功率二極管器件的重要組成部分,它是由連接P摻雜和N摻雜的區(qū)域而構(gòu)成,接觸的面叫冶金接面。兩個(gè)區(qū)域接觸后,由于擴(kuò)散的作用,兩邊會(huì)產(chǎn)生一些固定不動(dòng)的帶電離子,從而形成一個(gè)電場(chǎng)。正是這個(gè)電場(chǎng),讓PN結(jié)具有了不同的重要特性,其中一個(gè)最重要的就是電容特性。由于PN結(jié)電容特性的影響,決定了充放電需要時(shí)間,也即是功率二極管不能立即開(kāi)通或關(guān)斷。因此如何提高功率二極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間和改善功率二極管的開(kāi)關(guān)特性也就成了一個(gè)非常重要的問(wèn)題。

除PN結(jié)二極管,還有肖特基二極管,它是由金屬和半導(dǎo)體直接接觸形成,跟PN結(jié)二極管相比,金半接觸的肖特基二極管具有更低的導(dǎo)通壓降,更快的反向恢復(fù),但是正向電流密度更小(肖特基導(dǎo)電只有電子,PN結(jié)導(dǎo)電有空穴和電子)和反向漏電更大,反向擊穿電壓一般不足100稱為肖特基二極管的短板。

關(guān)于二極管反向恢復(fù)特性,我在下面單獨(dú)講。

2、什么叫器件的短路特性?

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柵端給以高電平讓IGBT開(kāi)啟,并持續(xù)足夠長(zhǎng)時(shí)間,IGBT陽(yáng)極通常加一個(gè)小電阻Rd,幾歐姆到幾十歐姆,柵端也會(huì)加?xùn)烹娮鑂g,Rg越大,柵電容充放電時(shí)間越長(zhǎng),IGBT開(kāi)關(guān)速度就越慢,Rg的選取,幾歐到上千都可以,看需求。同時(shí)右端的電壓源是一直供電的,可以給上百伏。

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如圖所示的是IGBT的一個(gè)短路特性inspect曲線圖,橫坐標(biāo)是時(shí)間,縱坐標(biāo)是陽(yáng)極電流,首先是電流快速增加,當(dāng)電流達(dá)到飽和以后,電流穩(wěn)定在一個(gè)值,理論上是水平的,但是隨著時(shí)間的增加,器件溫度的升高,飽和電流值會(huì)有一定的下降,當(dāng)器件發(fā)生過(guò)熱失效,于是電流就會(huì)急劇增加。為什么會(huì)失效,可以這樣理解,器件長(zhǎng)時(shí)間工作在大電壓大電流情況下,器件內(nèi)部也有電阻,會(huì)產(chǎn)生能量,這種能量只能以熱的形式散發(fā)出去,器件工作越久,功率越大,溫度就越高。一般認(rèn)為,飽和電流相同時(shí),短路不失效時(shí)間越久,短路特性越好,提升器件短路特性一般可以從內(nèi)部結(jié)構(gòu)降低功耗和外部封裝加快散熱等角度考慮。仿真的話一般選擇加熱模型,具體怎么加可以去查閱手冊(cè)。不加熱模型,仿真出來(lái)的是300K(27℃),器件每個(gè)地方溫度都是一樣的,當(dāng)加了熱模型以后,器件仿真完后,選擇晶格溫度后會(huì)發(fā)現(xiàn)不同地方顏色是不一樣的,如下圖。

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3、UIS特性是什么玩意?

UIS是Unclamped InductiveSwiching的縮寫(xiě),UIS特性通常用來(lái)描述功率開(kāi)關(guān)器件(MOS/IGBT)在非鉗電感電路中能夠承受電流能力大小的能力,或用來(lái)描述功率開(kāi)關(guān)器件在雪崩擊穿下負(fù)載能量的能力。UIS特性的好壞直接影響到器件的安全工作區(qū)及壽命,因此UIS被認(rèn)為功率開(kāi)關(guān)器件安全性的重要指標(biāo)。
柵極給以下圖這樣的柵脈沖,先讓開(kāi)關(guān)管開(kāi)啟,并通過(guò)Vdc給電感充電,一段時(shí)間后關(guān)斷。

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電感電流電壓公式是V/L=di/dt,所以當(dāng)IGBT開(kāi)啟時(shí),電流是從0開(kāi)始以V/L斜率隨時(shí)間線性上升,一直到柵關(guān)斷。當(dāng)IGBT關(guān)斷以后,電感內(nèi)的電流不能突變,只能強(qiáng)行通過(guò)IGBT,IGBT是關(guān)斷的,這個(gè)時(shí)候的電流應(yīng)該叫雪崩電流。柵電位變?yōu)?并持續(xù)足夠長(zhǎng)時(shí)間,看IGBT在此情況下多久可以不失效,如果出現(xiàn)電流迅速增加,則IGBT失效。當(dāng)然不光是IGBT,也可以用此方法來(lái)考察MOS的UIS能力。

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4、什么叫二極管的反向恢復(fù)?

P型半導(dǎo)體是由三價(jià)元素?fù)饺牍柚行纬傻模昭ㄊ嵌嘧樱娮邮巧僮印型半導(dǎo)體是由五價(jià)元素?fù)饺牍柚行纬傻模娮邮嵌嘧樱昭ㄊ巧僮印N結(jié)二極管以少子的形式儲(chǔ)存電荷,并傳導(dǎo)正向電流。少子從P+區(qū)和 N+區(qū)注入高阻區(qū)是一種電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng),該效應(yīng)能夠使二極管的正向?qū)娮铚p小,在這一方面上,該效應(yīng)對(duì)二極管的導(dǎo)通功耗上是有好處的。如果在正偏時(shí)的二極管上加反向電壓后,PN結(jié)不是瞬間由開(kāi)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)態(tài),這是由于導(dǎo)通時(shí)在高阻區(qū)存貯有大量少數(shù)載流子,故到截止時(shí)要把這些少數(shù)載流子完全抽出或是中和掉是需要一定時(shí)間的,即反向阻斷能力的恢復(fù)需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間,這個(gè)過(guò)程就是反向恢復(fù)過(guò)程,發(fā)生這一過(guò)程所用的時(shí)間定義為反向恢復(fù)時(shí)間trr。

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在如圖所示的反向恢復(fù)測(cè)試電路中,給柵端以雙脈沖信號(hào)。當(dāng)柵為高電平時(shí),下管(開(kāi)關(guān)管)溝道開(kāi)啟,電流經(jīng)由電感和下管到地,給電感充電,并且二極管處于反向耐壓狀態(tài)。當(dāng)柵端由高電位變?yōu)榈碗娢粫r(shí),下管關(guān)斷,由于電感電流不能突變,電感中的電流只能經(jīng)由二極管進(jìn)行續(xù)流,二極管陽(yáng)極電位抬升,并進(jìn)入正向?qū)顟B(tài)。當(dāng)柵端由低電位再次變?yōu)楦唠娢粫r(shí),下管開(kāi)啟,二極管陽(yáng)極被拉至0,二極管由正向?qū)ㄗ優(yōu)榉聪蜿P(guān)斷狀態(tài),經(jīng)歷反向恢復(fù)過(guò)程,待反向恢復(fù)完成,二極管處于反向耐壓狀態(tài),電路通過(guò)VBUS繼續(xù)給電感充電。如圖,IF稱為二極管續(xù)流電流,trr稱為二極管反向恢復(fù)時(shí)間,Irrm稱為反向恢復(fù)尖峰電流,di/dt稱為電流變化率,Qrr稱為反向恢復(fù)電荷。根據(jù)公式V/L=di/dt(電感電流是以固定斜率線性上升的),通過(guò)控制時(shí)間T2,電感L和電壓V,即可控制續(xù)流電流IF。通過(guò)控制柵電阻R和時(shí)間T5,可以控制下面的開(kāi)關(guān)管的開(kāi)啟速度,從而控制二極管反向恢復(fù)電流變化率di/dt。

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反向恢復(fù)過(guò)程可分為以下五個(gè)階段:

下圖給出了二極管的反向恢復(fù)波形,一旦二極管電流開(kāi)始下降,第1階段開(kāi)始(t0~t1)。此時(shí),下面開(kāi)關(guān)管T接通。負(fù)載電流開(kāi)始從二極管D1轉(zhuǎn)移到開(kāi)關(guān)管T。然后二極管電流減小。然而,由于二極管仍處于正向?qū)顟B(tài),二極管電壓保持VAC>0(A代表陽(yáng)極,英文是anode,C代表陰極,英文是cathode)。在t1時(shí)刻,二極管電流達(dá)到零,第2階段開(kāi)始。在此階段,二極管開(kāi)始反向恢復(fù),二極管電流從零下降到峰值反向電流。此時(shí),一小部分耗盡區(qū)開(kāi)始在pn結(jié)交界面形成。然而,由于垂直P(pán)N結(jié)的其他部分沒(méi)有耗盡并且仍然處于正向偏壓狀態(tài),二極管現(xiàn)在不能支持反向電壓。二極管電壓因此被鉗制在一個(gè)小的正值。在t2時(shí)刻,二極管開(kāi)始支持反向電壓,第3階段開(kāi)始。此時(shí)耗盡區(qū)延伸到整個(gè)PN結(jié),二極管反向電壓向電壓快速增加。同時(shí),二極管電流(絕對(duì)值)仍朝峰值反向電流增加。由于耗盡區(qū)迅速擴(kuò)展,耗盡區(qū)內(nèi)儲(chǔ)存電荷被完全去除,導(dǎo)致峰值反向電流非常高。在t3時(shí)刻,二極管電壓達(dá)到-VR,第4階段開(kāi)始。此時(shí),二極管反向電流達(dá)到峰值。之后,二極管反向電流回到零。由于di/dt變?yōu)檎担瑢?dǎo)致二極管產(chǎn)生過(guò)沖電壓。在t4時(shí)刻,當(dāng)二極管反向電壓達(dá)到峰值VRM時(shí),第5階段開(kāi)始,di/dt達(dá)到最大值。在t5之后,二極管電壓穩(wěn)定在-VR,二極管內(nèi)電流變?yōu)榱悖O管完成反向恢復(fù)。二極管反向恢復(fù)末期存在振蕩,仿真中不明顯,但測(cè)試中振蕩現(xiàn)象很明顯。

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5、淺談寄生NPN開(kāi)啟

NPN開(kāi)啟主要是存在三個(gè)方面,一種情況是開(kāi)態(tài)的時(shí)候,NPN開(kāi)啟,上期所講的IGBT閂鎖就是如此。第二種情況是由開(kāi)態(tài)到關(guān)態(tài)的這個(gè)過(guò)程中,漂移區(qū)存在著大量載流子,這些載流子是由正向?qū)ǖ臅r(shí)候所注入的,比如在LDMOS中,體二極管導(dǎo)通時(shí),柵極和源極短接作為體二極管的陽(yáng)極,漏極作為體二極管的陰極,正向?qū)〞r(shí),陽(yáng)極為高電位,陰極是0,如果突然將陽(yáng)極變?yōu)?陰極變?yōu)楦唠娢唬敲大w二極管就會(huì)經(jīng)歷反向恢復(fù),空穴從漂移區(qū)經(jīng)過(guò)p型體區(qū),源極P+抽取回源極,而電子經(jīng)過(guò)漂移區(qū),n緩沖區(qū)和漏極N+回到漏極。由于p型體區(qū)電阻的存在,空穴抽取又會(huì)形成空穴電流,源極N+又是0電位,假如在空穴從P體區(qū)抽取回源極過(guò)程中,源極N+和其下方P型體區(qū)之間產(chǎn)生0.7伏的壓降,那么由p型體區(qū)和源極N+構(gòu)成的PN結(jié)就會(huì)開(kāi)啟,大量的電子就會(huì)從源極注入到漂移區(qū)。本來(lái)關(guān)斷時(shí)的抽取是為了讓漂移區(qū)內(nèi)載流子減少甚至消失的,結(jié)果這個(gè)NPN(源極N+,Pbody,Ndrift)誤開(kāi)啟讓器件無(wú)法關(guān)斷,電流不減反增。關(guān)于這一方面,有很多論文提出了很多方案來(lái)抑制NPN的開(kāi)啟,

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除此之外,還有第三種NPN開(kāi)啟,雖然是同一種NPN,但是原理是不一樣的。這種NPN開(kāi)啟是在器件本身就處于關(guān)斷狀態(tài)下的,并沒(méi)有經(jīng)歷開(kāi)啟這個(gè)過(guò)程。直接給器件加反向偏壓,此時(shí)器件也是有反向漏電流的,因?yàn)槠茀^(qū)本身也是存在空穴和電子的,耐壓的時(shí)候,耗盡層需要展寬,處于耗盡區(qū)(漂移區(qū))內(nèi)的載流子都要滾蛋,空穴回你的源極(發(fā)射極),電子回你的漏極(集電極),空穴在抽取回源極時(shí),一樣也會(huì)發(fā)生寄生NPN開(kāi)啟的情況,下面的圖是RC-IGBT在持續(xù)加反向電壓情況下的電壓和反向電流測(cè)試曲線。

(1)反向電壓765V,13.35mA時(shí)正常。圖中5mA和100V表示每一格的分度值。

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(2)繼續(xù)加大反向電壓到778V,雪崩電流明顯增加。

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(3)器件發(fā)熱雪崩電流已經(jīng)很大。

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(4)反向電壓掉落,寄生NPN開(kāi)啟,失去耐壓能力。

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(5)寄生NPN開(kāi)啟不需要那么大的電壓,所以電壓會(huì)一直掉落。

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從上所述來(lái)看,寄生NPN開(kāi)啟帶來(lái)的影響都是負(fù)面的,有的研究是利用寄生NPN開(kāi)啟的呢,感興趣可以去了解。

附1:關(guān)于Sentaurus補(bǔ)充

(1)SSE如何查錯(cuò)

有的人SentaurusSE跑紅報(bào)錯(cuò)竟不知所措,錯(cuò)誤其實(shí)非常好找的,雙擊紅色的節(jié)點(diǎn),再點(diǎn)擊.out或者log.err就知道錯(cuò)誤的地方了。

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錯(cuò)誤種類太多了我無(wú)法把錯(cuò)誤全部羅列出來(lái),有的是英文分號(hào)輸入成中文分號(hào)無(wú)法識(shí)別的,有的是電極沒(méi)有定義上的,也有的需要把后面SDE刪除了才能跑的,大家在仿真過(guò)程中慢慢積累。實(shí)在找不出錯(cuò)誤就把這個(gè)工程復(fù)制一份出來(lái),一行一行代碼復(fù)制進(jìn)去running直到你復(fù)制到某一行跑紅了是不是就找到錯(cuò)誤的地方了。這玩意找錯(cuò)比起軟件碼農(nóng)找錯(cuò)簡(jiǎn)單多了呢。

(2)Tecplot如何交換XY坐標(biāo)軸

求教大佬的,在這里share給大家

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附2:江浙滬地區(qū)功率器件公司羅列(僅羅列出部分):

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附3:

(1)服務(wù)器上不了網(wǎng),如何上網(wǎng),比如下載yum庫(kù)?

root后gedit /etc/resolv.conf 加入如nameserver 114.114.114.114后保存,這樣就可以下載yum庫(kù)了,yum裝完記得回來(lái)把這個(gè)刪除。

(2)服務(wù)器安裝軟件較多,打開(kāi)速度太慢怎么搞?

root后gedit /etc/resolv.conf 刪除所有內(nèi)容后保存,再打開(kāi)軟件(swb,inspect,tecplotSV都會(huì)快)就快了,不是軟件裝多的問(wèn)題。

(3)服務(wù)器安全聯(lián)網(wǎng)設(shè)置

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    發(fā)表于 07-12 07:49

    功率半導(dǎo)體器件的定義及分類

    電力電子器件(Power Electronic Device),又稱為功率半導(dǎo)體器件,用于電能變換和電能控制電路中的大功率(通常指電流為數(shù)十
    發(fā)表于 09-09 06:29

    常用的功率半導(dǎo)體器件有哪些?

    常用的功率半導(dǎo)體器件有哪些?
    發(fā)表于 11-02 07:13

    什么是基于SiC和GaN的功率半導(dǎo)體器件

    元件來(lái)適應(yīng)略微增加的開(kāi)關(guān)頻率,但由于無(wú)功能量循環(huán)而增加傳導(dǎo)損耗[2]。因此,開(kāi)關(guān)模式電源一直是向更高效率和高功率密度設(shè)計(jì)演進(jìn)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。  基于 SiC 和 GaN 的功率半導(dǎo)體
    發(fā)表于 02-21 16:01

    功率半導(dǎo)體器件鳥(niǎo)瞰

    功率半導(dǎo)體器件鳥(niǎo)瞰 當(dāng)代功率半導(dǎo)體器件大致可以分成三類:一是傳統(tǒng)的各類晶閘管
    發(fā)表于 07-09 11:37 ?1783次閱讀
    <b class='flag-5'>功率</b><b class='flag-5'>半導(dǎo)體</b><b class='flag-5'>器件</b>鳥(niǎo)瞰

    功率半導(dǎo)體的優(yōu)劣勢(shì)分析_功率半導(dǎo)體器件用途

    本文介紹了什么是功率半導(dǎo)體器件,對(duì)功率半導(dǎo)體器件分類和功率
    發(fā)表于 01-13 09:19 ?1.8w次閱讀

    功率半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)》下載

    功率半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)》下載
    發(fā)表于 03-15 14:51 ?0次下載

    功率半導(dǎo)體分立器件包括哪些?

    功率半導(dǎo)體大致可分為功率半導(dǎo)體分立器件(Power Discrete,包括功率模塊)和
    發(fā)表于 02-24 15:36 ?6161次閱讀
    <b class='flag-5'>功率</b><b class='flag-5'>半導(dǎo)體</b>分立<b class='flag-5'>器件</b>包括哪些?

    功率半導(dǎo)體器件有哪些_功率半導(dǎo)體器件工藝流程

    功率半導(dǎo)體器件是一種用于控制和轉(zhuǎn)換大功率電能的半導(dǎo)體器件,主要包括以下幾種類型:   二極
    發(fā)表于 02-28 11:41 ?3563次閱讀

    功率半導(dǎo)體的知識(shí)總結(jié)(MOSFET/IGBT/功率電子器件/半導(dǎo)體分立器件

    功率半導(dǎo)體包括功率半導(dǎo)體分立器件(含模塊)以及功率 IC 等。其中,
    發(fā)表于 07-26 09:31 ?8368次閱讀
    <b class='flag-5'>功率</b><b class='flag-5'>半導(dǎo)體</b>的知識(shí)總結(jié)(MOSFET/IGBT/<b class='flag-5'>功率</b>電子<b class='flag-5'>器件</b>/<b class='flag-5'>半導(dǎo)體</b>分立<b class='flag-5'>器件</b>)

    淺談功率半導(dǎo)體器件與普通半導(dǎo)體器件的區(qū)別

    功率半導(dǎo)體器件與普通半導(dǎo)體器件的區(qū)別在于,其在設(shè)計(jì)的時(shí)候,需要多一塊區(qū)域,來(lái)承擔(dān)外加的電壓,如圖5所示,300V
    發(fā)表于 10-18 11:16 ?2694次閱讀
    淺談<b class='flag-5'>功率</b><b class='flag-5'>半導(dǎo)體</b><b class='flag-5'>器件</b>與普通<b class='flag-5'>半導(dǎo)體</b><b class='flag-5'>器件</b>的區(qū)別
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