半导体器件在脉冲功率技术中的应用

电力半导体器件的本质就是具有控制电流导通和关断的能力。最理想的情况就是希望这种器件在导通时能像金属一样，关断时能像绝缘体一样。最接近这种要求的器件是以闸流管为代表的气体放电管。代表功率器件的晶闸管也被期望具有和闸流管相同的功能，因此它的名字也和闸流管相似。现在，经过近50年的发展，终于出现了能够取代闸流管的器件。

放电管内的气体通常是绝缘体，当发生放电时，立即变为导通状态。汤生放电是气体原子电离产生的电子在电场加速下，与气体原子碰撞发生新的电离，如此持续反复的一种状态。气体放电管就是靠电离产生的电子和气体原子电离形成的等离子层来导电的。半导体中，虽然没有像放电那样激烈的现象，但是也存在保持原态但能够自由移动的电子。而且，增大外加电压可以增加电子数目，外加反向电压可以使电子消失。当能够自由移动的电子消失时，就可以得到电阻率在几百兆欧·厘米以上的优良绝缘体。

如上所述，半导体的第一个特点是可以人为地改变使之成为导体或者绝缘体。第二个特点是半导体中存在具有与电子的运动状态相同作用的自由电子和空穴。而且，正是因为半导体中同时存在正负电荷，它就能够像气体放电管那样形成等离子态，从而在半导体内能够形成高浓度的载流子。

对于半导体器件，首先要具备电流的通断能力。换言之，就是要有电压保持能力。一般在没有电流的情况下，它表现为静态耐压，对于功率器件来说在电流通过时具有的电压保持能力是极为重要的。这就是我们常说的“安全工作区”。可以说，功率器件实用化的历史就是这个“安全工作区”扩大的历史。

图1-13 IGBT的结构示意图

1.绝缘栅双极型晶体管

图1-13是绝缘栅双极型晶体管（In-sulated-gate Bipolar Transistor，IGBT）结构示意图，图中阴影线所示的区域中的电子和空穴电流密度分布在导通时的模拟如图1-14所示。空穴主要从稍稍偏离沟道开口部的地方流过，除此以外的P区域（称为P阱）中流过的空穴和电子电流不是太多。而且，P阱中央部分外侧的空穴电流密度和电子电流密度都很低。IGBT通常被说成是由MOSFET提供基极电流的PNP晶体管，而图1-14所示的大部分电流并没有流过相当于晶体管集电极的P阱。

图1-14 IGBT导通时电子电流与空穴电流密度在发射极侧的分布（U_CE＝5V，（25μm×110μm）NPT-IGBT）

a）电子电流密度 b）空穴电流密度

当然，还是将IGBT看成是沿着主要的电流沟道按照PIN型二极管的工作原理来考虑更加合适。空穴和电子从各自器件的两侧流入，在N-区空穴和自由电子的电流密度几乎相等，这个工作特性和PIN型二极管是相同的。但是，IGBT的发射极中，空穴不流入N^＋沟道区，而主要通过P阱区，这一点是不同的。也就是说，IGBT的发射极对于电子来说是在N^＋N^-结区，而对于空穴来说是在与电子沟道相邻的P^＋N^-结区。因为N-区的空穴浓度比P阱内部要小，由于从N^-区到P^＋区有空穴流过，就必须存在有能够平衡这种浓度梯度的电场。因此，与PIN型二极管相比，IGBT正向电压降低。残余电压的不断减小使得IGBT不断进步。

2.负阻二极管

俄罗斯研制出了可以在数纳秒时间开关数十千安电流专用于脉冲工况的半导体器件。其基础还是一PIN型二极管，单只器件的耐压为1～3kV，多只串联后可以在100kV以上使用。都是两端器件，专门用于脉冲功率，可以说是一种速度最快、功率最大的功率器件。

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图1-15 晶闸管的结构及其初始电场的分布

负阻二极管也就是反向开关晶体管（Reversely Switched Dynistor，RSD）或者快速离子化晶体管（Fast Ionization Dynistor，FID）。如图1-15所示，PIN型二极管的I层是由浓度比较高的N层和P层组成。四层结构类似晶闸管，又因为是两端器件，所以被叫做负阻二极管。因为额定电压是1～3kV，作为功率器件是比较低的。直径76mm的3kV的负阻二极管能够以60kA／μs的电流上升率导通峰值为250kA（脉宽为50μs）的正弦波电流，可以将数十个这种器件串联使用。事先要按正方向加入外加电压的百分之几十的电压，如图所示，这个电压在反偏结中部的PN结合处两侧得到保持。而且沿着正向迅速上升的大大超过电压降的浪涌电压的加入会使器件开通。这个浪涌电压的加载会使中央部分的电场分布峰值变高。在电场最强的部分会立即产生雪崩效应。这样，新产生的电子空穴对就形成等离子态，电场分布就形成险峻的破口火山状。外部火山状部分的电场强度比刚开始产生电子空穴对的最大电场强度还要大，这样一来，在外部就会产生新的雪崩。于是火山状电场会立即向外部移动，留下高浓度的等离子区。又由于器件两侧的N^＋P或NP^＋结是正向偏置的，随着内部等离子区的扩大，开始产生大电流。

因此，与其说负阻二极管是按照晶闸管的方式导通，不如说是按照PIN型二极管的方式工作。电子和空穴的漂移速度在强电场中达到10⁵m／s而饱和，但是由于负阻二极管的等离子区形成速度是由电子空穴对的产生和电场的变化速度（光速）来决定的，因此它的导通速度比上述要快几个数量级。而且，对于在大电流密度下工作的PIN型二极管是由漂移电流来工作的不会引起电流的集中，因而可以将其面积做大。另外，因为保持电压越高，器件越容易被导通，就不会出现导通过程中电压分布不均匀的问题。额定电压只有3kV，可能是由于深PN结制造方法的限制。

3.半导体断路开关

半导体断路开关（Semiconductor Opening Switch，SOS）的特点是能很好地在纳秒级阻断千安级的大电流，并且重复频率可以达到千赫兹。具有P^＋-P-N-N^＋结构的SOS加正向偏压时，引起从P区流向N区的空穴和从N区流向P区的电子的结合而产生电流，这是正向电流。此时，如果在流入的少数载流子再结合结束前加反向偏压的话，因为少数载流子流回原来的区域，产生暂时的电流，这个是反向电流。一般设计的SOS都不能流过反向电流。反向电流在很短时间内被阻断，此时开关两端产生电感电压。因为SOS的自恢复时间在1μs以下，脉冲的重复频率仅取决于放出的热量。现在，脉冲重复频率在连续工作时为1000脉冲／s以下，在脉冲串联时为5000脉冲／s以下，表1-1所示的是SOS特性。

表1-1 SOS的特性

图1-16所示是SOS的驱动电路，图1-17是驱动装置的输出波形。得到40ns的半幅值峰值电压波形。电压波形完全取决于负载R，在数十欧到1kΩ的范围内，阻抗越大，电压峰值越大，波形越成尖峰状。

近20年来，开关技术的发展极大地改变了脉冲功率及其应用的概念。通过用固体开关取代传统的火花隙等气体开关，脉冲功率技术在寿命、重复频率、紧凑性和灵活性等方面都获得了全新的参数范围。电力半导体器件在功率能力和工作速度两方面都取得了显著进步，以其体积小、寿命长、可靠性高等优点，逐渐成为了脉冲功率开关的发展方向。由各自的物理结构和工作原理决定，每种半导体开关都有其功率能力、工作频率、断路或导通特性。

图1-16 SOS驱动回路

图1-17 驱动装置的输出电压波形