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平博app
2018.05.31
平博app是半导体器器件中结构最为简单的器件,但它是一种十分重要的基础器件。从某种意义上讲,是任何其他器件替代不了的。例如,自大功率器件IGBT问世后,在很大范围内代替了大功率晶体管GTR。但却无其它新型器件去替代大功率普通整流平博app。而且它的家族仍然稳如泰山各司其职。   在大功率电气回路中目前经常用到的大功率平博app主要有:普通整流平博app、快速平博app、快速软恢复平博app、肖特基平博app。本文根据现有资料重新编写,除了大家所熟知的普通整流平博app不作介绍外,着重介绍后三种。   一、快速平博app(快速恢复平博appFast Recovery Diode)   随着电力电子技术的发展,各种变频电路、斩波电路的应用不断扩大,这些电力电子电路中的主回路不论是采用换流关断的晶闸管,还是采用有自关断能力的新型电力电子器件,如GTO,MCT,IGBT等,都需要一个与之并联的快速平博app,以通过负载中的无功电流,减小电容的充电时间,同时抑制因负载电流瞬时反向而感应的高电压。由于这些电力电子器件的频率和性能不断提高,为了与其关断过程相匹配,该平博app必须具有快速开通和高速关断能力,即具有短的反向恢复时间trr,较小的反向恢复电流IRRM和软恢复特性。   半导体器件中众所周知的PN结就是一个平博app。其中导电的基本单元称作为“载流子”,即电子和空穴。简单说来平博app的单向导电性能就是应用了“载流子”的产生和消失的物理原理。正向导电时(P区接正、N区接负)PN结两边产生并充满了大量“载流子”,可以在很低的电压下导通较大的电流,呈现低阻状态。反向阻断时(N区接正、P区接负),PN结两边的载流子很快就变为零(有极少量遗留形成了漏电流),呈高阻状态。载流子的产生、消失过程需要时间,于是有“开通时间”和“关断时间”之称。载流子存在时间称为“寿命”。“寿命的长短会影响到“开通时间”和“关断时间”。载流子寿命较长,平博app的开关速度相应较低。为提高其开关速度,可采用掺杂重金属杂质和通过电子辐照的办法减小载流子寿命,但这又会不同程度的造成不希望出现的平博app的“硬恢复特性”,它会在电路中引起较高的感应电压,对整个电路的正常工作产生不小的影响。   目前,国内快速平博app一般采用电子辐照控制载流子少子寿命,其软度因子在0.35左右,特性很硬。国际上快速二级管的水平已达到2500A/3000V,300ns,软度因子较小。   二、快速软恢复平博app   恢复过程很短的平博app,特别是反向恢复过程很短的平博app称为快速恢复平博app(Fast Recovery Diode)。高频化的电力电子电路不仅要求快速恢复平博app的正向恢复特性较好,即正向瞬态压降小,恢复时间短;更要求反向恢复特性也较好,即反向恢复时间短,反向恢复电荷少,并具有软恢复特性。   1、开通特性   平博app的开通也有一个过程,开通初期出现较高的瞬态压降,经过一定时间后才能处于稳定状态,并具有很小的管压降。这就是说,平博app开通初期呈现出明显的“电感效应”,不能立即响应正向电流的变化。   开通时平博app呈现的电感效应,除了器件内部机理的原因之外,还与引线长度、器件平博app下载采用的磁性材料等因素有关。电感效应对电流的变化率最敏感,因此开通时平博app电流的上升率dIF/dt越大,峰值电压UFP就越高,正向恢复时间也越长。   2、关断特性   所有的PN结平博app,在传导正向电流时,都储存电荷。但是当正在导通的平博app突然加一个反向电压时,要把这些少数载流子完全抽出或是中和掉是需要一定时间的,即反向阻断能力的恢复需要经过一段时间,这个过程就是反向恢复过程,发生这一过程所用的时间定义为反向恢复时间(trr)。值得注意的是在未恢复阻断能力之前,平博app相当于处于短路状态。   用软化系数S(Softness factor)来描述反向恢复电流由最大值IRM消失的速率。反向恢复电流的下降速度dIrr/dt是一个重要的参数。若dIrr/dt过大,由于线路存在电感L,则会使反向峰值电压URM过高,有时出现强烈振荡,致使平博app损坏,可以用软特性和硬特性的概念来表示dIrr/dt对反向特性的影响。   耗尽储存电荷所需的总的时间定义为反向恢复时间trr,作为开关速度的量度,它是选用平博app时的一个非常重要的参数,一般用途的平博apptrr为25μs左右,使用在整流以及频率低于1kHz以下的电路中是可以的,但若用于斩波和逆变电路中,必须选用trr在5μs以下的快速恢复平博app,在一些吸收电路中要求快开通和软恢复平博app。   由软度因子定义可知,它就是反映平博app在反向恢复的过程中基区少数载流子消失的时间长短。所以,软度因子与少数载流子寿命、元件结构及结构参数等有密切的关系。所以改善软度因子性能就要从这些方面入手,即控制少数载流子寿命、采用新的结构、新工艺。   制作出一种反向恢复时间短、恢复时反向峰值电流小、且为软恢复特性的高速平博app就显得尤为重要。为此开发了不同结构的这种平博app,例如有;凹型阶梯“阴极短路”结构带辅助平博app的结构;阴极短路结构;自调节发射效率与理想欧姆接触平博app(SIOD)等。   三、肖特基平博app   肖特基平博app是以其发明人华特‧肖特基博士(Walter Hermann Schottky)命名的,SBD是肖特基势垒平博app (Schottky Barrier Diode,缩写成SBD)的简称。它不是PN结,而是利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结原理制作的。因此,SBD也称为金属-半导体(接触)平博app或表面势垒平博app。   1、特点   肖特基平博app是近年来问世的低功耗、大电流、超高速半导体器件。由于SBD的反向恢复电荷非常少,故开关速度非常快,开关损耗也特别小,反向恢复时间极短(可以小到几纳秒),尤其适合于高频应用。其正向压降低,仅0.4V左右,比PN结平博app低(约低0.2V)。而整流电流却可达到几千毫安。这些优良特性是快恢复平博app所无法比拟的。但其反向击穿电压比较低,大多不高于60V,最高仅约100V,反向漏电流比PN结平博app也大。发展100V以上的高压SBD,一直是人们研究的课题和关注的热点。近几年,SBD已取得了突破性的进展,150V和 200V的高压SBD已经上市,业界人士认为,即使不采用新型半导体材料,通过工艺和设计创新,SBD的耐压有望突破200V,但一般不会超过600V。使用新型材料制作的超过1kV的SBD也研制成功,从而为其应用注入了新的生机与活力。   SBD与PN结平博app一样,是一种具有单向导电性的非线性器件。   2、应用   其多用作高频、低压、大电流整流平博app、续流平博app、保护平博app,广泛应用于开关电源、变频器、驱动器等电路。或在微波通信等电路中作整流平博app、小信号检波平博app使用。 肖特基平博app结构符号特性曲线 肖特基平博app结构符号特性曲线   3、性能比较   下表列出了肖特基平博app和超快恢复平博app、快速恢复平博app、硅高频整流平博app、硅高速开关平博app的性能比较。由表可见,硅高速开关平博app的trr虽极低,但平均整流电流很小,不能作大电流整流用。 各类平博app性能对比表   4、SiC高压SBD   由于Si和GaAs SBD击穿电压较低,反向漏电流较大。碳化硅(SiC)材料是目前制作高耐压、低正向压降和高开关速度SBD的比较理想的新型材料。   1999年,美国Purdue大学研制成功4.9kV的SiC功率SBD,使SBD在耐压方面取得了根本性的突破。 SBD的正向压降和反向漏电流直接影响SBD整流器的功率损耗。低正向压降与较高的反向击穿电压在设计上是相矛盾的。因此必须折衷考虑。   SiC是制作功率半导体器件比较理想的材料,2000年5月4日,美国CREE公司和日本关西电力公司联合宣布研制成功12.3kV的SiC功率平博app,其正向压降VF在100A/cm2电流密度下为4.9V。这充分显示了SiC材料制作功率平博app的巨大威力。