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技術交流

Technology Exchange
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功率半導體器件學習筆記

發布時間:2022-11-21作者來源:薩科微瀏覽:2526


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[敏感詞]代半導體Si基

二極管

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簡介: 單個PN結結構,導通和斷開兩種狀態,不具備放大,單向導通;? 無外部電流、電壓控制,就是0和1的狀態,電壓電流較小。
應用: 各種電子設備,工業設備。

晶體管:BJT

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簡介: 背靠背的PN結結構,通過電流驅動實現線性放大功能,具有放大工作區域,能夠實現電流放大作用; 耐壓較高,導通電子較低,能放大電流,但是有拖尾電流,限制了開關速度。
應用: 放大器電路、驅動揚聲器、電動機等。
電壓及頻率: 20-1700V,≤20kHz。

晶體管:MOSFET

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簡介: 單個MOS管子,載流子數量相對IGBT要少、耗盡層區域小,所以耐壓較低; 單個結構,載流子少,耗盡層區域小也使得其電流拖尾效應小,因此頻率更高,開關速度更快。
頻率:100-1000KHz。

平面型MOSFET:

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電壓及頻率:100-500V:中低壓,低頻。

溝槽型MOSFET:

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電壓及頻率:12-250V:低壓,高頻。

超結型MOSFET:

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電壓及頻率:500-900V:高壓,高頻。

屏蔽柵MOSFET:

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電壓及頻率:30-300V:中低壓,高頻。

電壓及應用:中低壓<500V

  • 20-100V:手機、數碼相機、電動自行車;

  • 110-500V:LCD顯示器、電熱水器、背投電視

    高壓:>500V

  • 500-800V:車燈、電源、電極控制

  • 800-1000V:電焊機、變頻器

  • >1000V:高壓變頻器、發電設備


技術演變過程

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朝著高壓、高頻發展,器件的小型化提高了工作頻率,降低了導通電子,提高了開關速率,工藝提升保證了降低芯片面積的同時提高了耐壓特性;

IGBT

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簡介:IGBT是由MOSFET和BJT兩個結構串聯形成的器件,其中載流子數量會更多,耗盡層區域更大,能夠承受更高的電壓閾值;載流子的增多、耗盡層區域的增大使得電流的拖尾效應增強,所以開關的速度和頻率更低。
頻率<100KHz。
分類:穿透,非穿透,截止,平面柵,溝槽柵。
電壓及應用:超低壓IGBT小于600V,內燃機點火器、數碼相機等消費電子;低壓IGBT600-1350V, 新能源汽車、UPS電源、白色家電、電焊機、工業變頻器、太陽能電池;中壓IGBT1400-2500V,地鐵、城軌電極驅動、太陽能電池;高壓IGBT2500-6500V,軌道牽引、智能電網、大型工業設備。
技術演變過程:

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朝著高壓、低功耗的方向不斷發展

  • 晶閘管


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簡介:晶閘管不具備放大功能,兩個同向的PN結是沒有線性放大工作區域的,只有導通、關斷的功能;體積小、耐高壓,但是需要額外的關斷電路。
應用:UPS電源、電焊機、變頻器等。
電壓及頻率:100-3000V,≤10kHz。

價格

單管價格

? IGBT

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? 二極管

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? 三極管

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? MOSFET

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器件價格

從MOSFET、晶閘管、二極管等各類功率器件來看,東微半導定價[敏感詞],達到2.84元/顆。這主要來源于其在高壓超級結MOSFET、中低壓溝槽柵MOSFET以及超級硅MOSFET等主營產品上的技術領先優勢,以及在新能源車、光伏等領域的應用優勢。

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第三代半導體SiC器件

SBD:Schottky barrier diode ,肖特基二極管

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SiC 肖特基二極管的主要優勢在于其正向壓降低,有助于降低通態損耗;同時它作為單極型器件,無少子存儲和反向恢復現象,可以實現較高的開關頻率,有助于充分發揮 SiC件的優勢。所以在中低電壓、中小電流、中高頻的(600~3000 V5~20 A150~200 kHz)的應用場合,SiC肖特基二極管迅速取代了Si FRD。肖特基結構的主要問題是由于其勢壘高度較低,且存在鏡像力勢壘降低效應,所以其反向漏電流較大,且隨反向電壓增加,擊穿特性較弱。
在實際應用中,肖特基二極管的設計存在正向壓降和反向漏電之間的權衡取舍。對于純肖特基二極管而言,這只能通過選取不同的金屬種類來實現。使用接觸勢壘較高的金屬(如 Ni),可以實現較小的漏電流,但是正向導通壓降將會增加;使用接觸勢壘較低的金屬(如 Ti),可以實現較低的正向壓降,但是反向漏電將會增加。
考慮到勢壘釘扎效應的影響,實際上不同金屬種類之間的勢壘差比金屬功函數更小,改變金屬種類對器件性能的影響并不顯著
應用方向:中低電壓、中小電流、中高頻的( 600~3000 V、 5~20 A、 150~200 kHz)的應用場合

JBS:Junction barrier Schottky diode,結勢壘肖特基二極管 

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為了給器件設計增加更多的自由度,在不顯著惡化正向導通性能的情況下抑制反向漏電。
在 JBS 二極管中,陽極金屬下方的肖特基接觸部分和 P+區部分交錯排列。在正偏時,僅有肖特基接觸部分參與導電,器件的特性類似純肖特基二極管;在反偏時,肖特基結兩側的 P+區和 N-外延層構成的 P+/N-結形成的耗盡區相互接觸,對肖特基接觸形成了屏蔽,顯著降低了其下方的電場強度,從而降低了漏電流。通過改變 P+區和肖特基區的尺寸,在保持肖特基金屬不變的前提下,很容易地調節器件的正向和反向特性;同時, JBS 二極管還保留了純肖特基二極管單極性導通、開關速度快的優勢,所以 JBS 二極管很快就代替了純肖特基二極管,成為了 Si 肖特基二極管的主要形式。
SiC JBS 二極管和純肖特基二極管一樣,幾乎沒有反向恢復過程,非常適合高頻應用。
應用方向:在 600~3500 V 范圍內最常用。
MPS:Merged PiN Schottky 

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在各種可靠性性能中,抗浪涌電流沖擊能力是非常重要的一個可靠性指標。抗浪涌電流沖擊能力指的是器件承受大電流脈沖的能力。當浪涌電流出現時,大電流脈沖流過器件,產生相應的電壓降,進而產生較大的發熱功率,導致器件的溫度在短時間內急劇上升,最終可能使得器件內部某部分材料被燒毀,導致器件失效。具有高浪涌可靠性的器件能平穩度過大電流脈沖,不發生失效和明顯的特性退化,有助于提高整個系統的可靠性。為了提高器件的浪涌可靠性,在 JBS 二極管的基礎上提出了 MPS (Merged PiN Schottky)二極管。
在 MPS 二極管中,除了小尺寸 P+區外,還有用于提高器件浪涌可靠性的大尺寸P+區。其中小 P+區的作用和 JBS 二極管中的 P+區完全相同,而大 P+區的作用在于提高器件在大電流下的導通能力。在大電流下,大 P+區對應的 PN 結將會開啟,并向器件的漂移區注入少數載流子;由此產生的電導調制效應將會極大地降低器件的電阻。MPS 二極管的概念和 JBS 二極管從器件的結構特征來說,并沒有本質的區別,都是 P+區與肖特基區的交替排列。區別在于其工作模式:在 JBS 二極管中, P+區僅僅在器件處于反偏時屏蔽高電場,以減小肖特基結處的漏電,在器件處于正偏時并不起作用;在 MPS 二極管中, P+區在器件處于反偏時起到相同的作用,同時在器件處于正偏且正偏電壓較大時,同樣會參與導電,以提高器件雙極導通能力。
與Si相比,由于 SiC 材料相比 Si 材料有著更高的擊穿場強,因此 SiC 肖特基二極管可以用薄得多的外延層實現相同的耐壓。在正常導通時, SiC 肖特基二極管的壓降天然就比 Si 肖特基二極管小,無需使器件進入雙極導通狀態。所以 SiC MPS 二極管中的 P+區逐漸變成了僅在大電流下導通、增強器件浪涌可靠性的手段。



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