全面解析功率半导体的分类、结构及工作原理

功率半导体的分类

电力电子技术的核心是电能的变换和控制,常见的有直流转交流(逆变)、交流转直流 (整流)、变频、变相等。在工程中拓展开来，变得五花八门,应用领域非常之广。但是,千变万化离不开其核心一一功率电子器件。

功率半导体器件（Power Semiconductor Device）又称电力电子器件（Power Electronic Device）。

1940年贝尔实验室在研究雷达探测整流器时，发现硅存在PN结效应，1958年美国通用电气（GE）公司研发出世界上第一个工业用普通晶闸管，标志着电力电子技术的诞生。

从此功率半导体器件的研制及应用得到了飞速发展，并快速成长为电子制造业的核心器件之一，还独立成为电子电力学科。

作为制造业大国，功率半导体器件在中国大陆的工业、消费、军事等领域都有着广泛应用，具有很高的战略地位。

功率半导体器件，是一种广泛用于电力电子装置的电能变换和控制电路方面的半导体元件。

电力电子装置的基本构思是把连续的能量流切割成能量小包，处理这些小包并输送能量，在输出端使之重新成为另一种连续的能量流，而这些主要便是依靠功率半导体器件及特定的电路结构来实现的。

功率半导体按照不同的分类标准可以进行如下分类：

①按照控制特性分类

不控型器件：即正向导通反向阻断，如常见的功率二极管；

半控型器件：除了正负极，还有控制极，一旦开通无法通过控制极(栅极)关断，这类主要是指晶闸管(Thyristor)和它的派生器件；

全控型器件：可通过栅极控制开关，常见的有双极结型晶体管(BJT)、栅极关断晶闸管(GTO)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等等。

②按照载流子性质不同分类

双极型：即电子和空穴同时参与导电，常见的有BJT、GTO；

单极型：只有电子或者空穴的一种载流子参与导电，常见的有结型场效应晶体管(JFET)、MOSFET、静电感应晶体管(SIT)等；

混合型：常见的有IGBT、电子加强注入型绝缘栅晶体管(IEGT)等。

③按照驱动方式分类

电流型控制器件：主要是可控硅(SCR)、BJT、GTO；

电压型控制器件：以MOSFET和IGBT为主；

光控型器件：以光控晶闸管为主要代表。

④按照不同的制备材料分类

主要分为硅器件，以及以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为主的宽禁带器件。

不同的应用场合根据所需半导体器件的电流电压等级来选择器件的种类。

半导体功率器件根据功能分：不可控、半控型、全控型。

半导体材料的发展:

第一代: Si、 Ge等元素半导体材料,促进计算机及IT技术的发展，也是目前功率半导体器件的基础材料;

第二代: GaAs、InP等化合物半导体材料,主要用于微波器件、射频等光电子领域;

第三代: SiC、GaN等宽禁带材料,未来在功率电子、射频通信等领域非常有应用前景。

功率半导体器件应用

不控器件:典型器件是电力二极管,主要应用于低频整流电路 ;

半控器件:典型器件是晶闸管,又称可控硅,广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电路中,应用场景多为低频;

全控器件:应用领域最广,典型为GTO、GTR、 IGBT、 MOSFET ,广泛应用于工业、汽车、轨道牵引、家电等各个领域。

GTO :门极可关断晶闸管

GTR :电力晶体管

IGBT :绝缘栅双极性晶体管

MOSFET :金属氧化物半导体场效应晶体管

汽车领域及大部分工业领域目前最常用的全控器件，全控器件的基本应用场景可以用下面这张示意图概括。

不可控功率器件

功率整流二极管是以半导体PN结为基础的,实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。

快恢复二极管采用外延型PiN结构，其反向恢复时间短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右）。

肖特基二极管是用金属（Ti、Ni等）代替了PN结中的P型半导体，为多子器件，具有更低的正向压降和更好的开关特性，反向恢复时间很短（10~40ns），有利于控制开关损耗，但耐压较低一般低于200V，且反向漏电较大对温度敏感。

符号及电性特征

半控型功率器件

晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称可控硅整流器，以前简称为可控硅；1957年美国通用电气公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化；

晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和控制极；晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

符号、结构及工作原理

晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于反向阻断状态。

晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。这时晶闸管处于正向导通状态，这就是晶闸管的闸流特性，即可控特性。

晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。门极只起触发作用。

晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。或加一反向电压，并保持一段时间使其强迫关断。

全控型器件

（1）功率晶体管(GTR,巨型晶体管)、双极结型晶体管(BJT)

1.功率晶体管(Giant Transistor--GTR,巨型晶体管)、双极结型晶体管(BipolarJunction Transistor--BJT)，这两类三极管在半导体功率器件是等效的，在20世纪80年代，在中、小功率范围内取代了晶闸管，但随着MOSFET、IGBT的发展，逐渐被替代。

2. 一种电流控制的双极双结大功率、高反压电力电子器件，具有自关断能力,产生于上个世纪70年代，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。

它既具备晶体管饱和压降低、开关时间短和安全工作区宽等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。GTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。

3.和普通三极管一样，他有三个极：发射极e （Emitter）、基极b (Base)和集电极c (Collector)。

4.结构及工作原理

以图中NPN型的三极管为例，当基极通入正电流Ib时，N P结正偏，基区就会流入大量的电子。

同时，该基极电流Ib不仅使发射极电流增大，而且P基区的电子在阻断的基极-集电极结方向上有很高的载流子浓度梯度，这些电子会扩散进入低掺杂的N-层。如果加一个电场，这些电子就会被电场加速流向集电极。即Ib的电流被放大。

（2）门极可关断晶闸管(GTO)

1.GTO（Gate-Turn-Off Thyristor）是门极可关断晶闸管的简称，他是晶闸管的一个衍生器件。但可以通过门极施加负的脉冲电流使其关断，他是全控型器件。

2.GTO和普通晶闸管一样，是PNPN四层半导体结构，外部也是引出阳极．阴极和门极。但和普通晶闸管不同的是，GTO是一种多元的功率集成器件。

虽然外部同样引出三个极，但内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO单元，这些GTO单元的阴极和门极在器件内部并联，他是为了实现门极控制关断而设计的。

（3）功率场效应晶体管(MOSFET)

1.功率MOS场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），简称功率MOSFET（Power MOSFET）。

结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）。

其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高（最高可达到1MHz），热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。

2.结构及工作原理

截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结反偏，漏源极之间无电流流过。

导电：在栅源极间加正电压Ugs，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子—电子吸引到栅极下面的P区表面,当Ugs大于Uth（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结消失，漏极和源极导电。

（4）绝缘栅双极晶体管(IGBT)

1.MOSFET具有开关速度快，电压控制的优点，缺点是导通电压降稍大，电流、电压容量不大；双极型晶体管却与它的优点、缺点互异。

因而产生了使它们复合的思想；控制时有MOSFET管的特点，导通时具有双极型晶体管特点，这就产生IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）管研制的动机，该管称为绝缘栅双极晶体管，但因为有晶体管的特性，他的工作频率大大降低。

2.N沟道VDMOSFET与GTR组合形成N沟道IGBT（N-IGBT）IGBT比VDMOSFET多一层P 注入区，形成了一个大面积的P N结。使IGBT导通时由P 注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。

3.结构、符号及工作原理。

IGBT的开通和关断是由门极电压来控制的。当门极加正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。

因此IMOS为IGBT总电流的主要部分。此时，空穴P 区注入到N-区，从而在N-区内产生高浓度的电子，减小了N-区的电阻Rd值，使高耐压的IGBT也具有低的通态压降。

当门极加负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即被关断。由于注入到N-区的空穴是少子，存在少子存储现象。N-区的少子需要时间复合消失，因此IGBT的开关速度比MOSFET慢。

功率器件封装介绍
封装是沟通芯片和外部电路的桥梁，其主要功能有：

①实现芯片和外界的电气连接；
②为芯片提供机械支撑，便于处理和焊接；
③保护芯片，防止环境的物理或化学损伤；
④提供散热通道。

分立式(Discrete)封装普遍应用于小功率范围。这种封装的器件要焊接到印刷电路板上。由于其功率损耗相对较小，散热要求不太高，这种封装的设计大多不采用内部绝缘，因而每个封装中只能有一个开关。

晶体管大多数采用这种类型的封装，因此称之为"晶体管外形"(TO，Transistor Outline)封装，如TO-220和TO-247比较流行的TO封装形式。

分立式封装的设计需要实现如下功能：

①负载电流和控制信号的传导；
②散热；
③保护器件不受环境影响；

MOSFET是采用TO封装最常见的功率器件。对于MOS，目前已经成功实现了对导通电阻Ron的大幅降低。于是TO封装的缺陷就逐步凸显出来了，TO封装的寄生电阻和Ron有着相同大的数量级。

由于PCB的通孔是标准的，且需要满足和保持引线间的最小绝缘距离要求，所以不能简单的通过对引脚的截面积加粗，但可以盖面截面积的形状来降低引脚的寄生电阻。

TO封装的另一个弱点是，为了减小成本而基本采用铝线连接。要改善电阻损耗只有加粗导线或者增加引线数量，但是这样一来，杂散电感又是一个问题。所以，为了尽可能高效地利用有限地PCB空间，IC器件地便面贴装技术(SMT)也被用到了小功率器件，主要有SOT、SOP等封装类型，如：

中大功率的应用则由单管向模块封装发展。单管和模块各有优势，应用场景和具体需求不同而使两者依旧在朝前发展。

分立式封装中还有一种叫作压接封装(Press Packs)或饼形封装(Capsules)的，主要应用于功率模块尚不能达到的高功率范围。在极高功率范围，功率芯片的大小可以是一个整晶圆，如下图，所以具有圆形管脚的培养皿型封装是圆形芯片的理想封装形式。

为了均衡压力，避免出现压力峰值，鬼期间装在两块金属片之间。钼因其高硬度和良好的热膨胀系数则成为最理想的金属材料。硅芯片在阳极一侧与一块钼圆盘底座刚性地烧结在一起，然后在阴极一侧压接到第二个钼圆片上，使芯片处于封装内部中央对准地位置。

编辑：黄飞