电力半导体器件 上册

目录

第一章电力半导体器件的发展概况 (5)

1.1 电力半导体器件与电力电子技术 (5)

1.2 电力半导体器件的分类与发展 (6)

1.2.1 双极型电力半导体器件 (6)

1.2.2 MOS结构电力半导体器件 (9)

1.2.3电力整流管 (12)

1.2.4功率集成电路（PIC） (13)

1.3新型半导体材料在电力半导体器件中的应用 (13)

第二章电力整流管 (15)

2.1 电力整流二极管的基本结构和类型 (15)

2.1.1功率二极管的基本结构 (15)

2.1.2 功率整流管的基本类型 (15)

2.2 PN结二极管 (16)

2.2.1整流方程 (16)

2.3 PIN二极管 (17)

2.3.1 PIN二极管的一般理论 (17)

2.3.2 PIN二极管的正向特性 (19)

2.3.3降低二极管正向压降的途径 (24)

2.3.4 PIN二极管的反向恢复 (26)

2.4 二极管的反向耐压特性与耐压设计 (28)

2.4.1 单边突变结（P＋-N）结的雪崩击穿电压 (28)

2.4.2 P+NN+二极管的击穿电压 (29)

2.4.3二极管耐压的设计 (30)

2.5 表面造型与保护 (32)

2.5.1表面电场与表面击穿 (32)

2.5.2结的的边缘造型技术 (33)

2.5.3 整流管的表面造型 (37)

2.5.4 P-N结的表面钝化与保护 (37)

2.6 快速整流管 (40)

2.6.1 反向恢复时间 (40)

2.6.2 快速整流管高频应用的原理 (40)

2.6.3快速整流管的电参数 (41)

2.7 肖特基整流管 (41)

2.7.1肖特基势垒的伏安特性 (41)

2.7.2 肖特基整流管的结构及其电参数的特色 (42)

2.8 MPS二极管 (43)

2.8.1MPS二极管的结构 (44)

2.8.2 MPS二极管的静态特性 (44)

2.8.3瞬态特性 (46)

第三章巨型晶体管(GTR) (48)

3.1 达林顿晶体管 (48)

3.1.1简单级连达林顿晶体管 (48)

3.1.2 实用功率达林顿晶体管 (49)

3.1.3 功率达林顿晶体管中得电阻 (50)

3.1.4 R1阻值与I b、I cm的关系 (52)

3.1.5 R1、R2电阻阻值对器件开关特性得影响 (53)

3.2 功率达林顿器件的版图设计方法 (54)

3.3 功率达林顿器件的纵向结构与参数设计 (55)

3.3.1 高阻层厚度及电阻率的确定 (56)

3.3.2结深的控制原则 (56)

3.3.3基区表面浓度与次表面浓度对器件性能的影响 (57)

3.4 功率达林顿晶体管的特性曲线 (58)

3.4.1 BV EBO特性曲线 (58)

3.4.2 BV CEO曲线 (58)

3.4.3输出特性曲线 (59)

3.5 GTR模块及其特点 (59)

3.6 GTR芯片的设计 (61)

3.6.1发射区图形的设计 (61)

3.6.2 GTR芯片内部各管面积的分配 (62)

3.6.3 GTR芯片内部电阻R1~R3的设计 (63)

3.6.4芯片设计中电阻对GTR性能影响的定量分析 (64)

3.7 GTR结构的设计 (64)

3.7.1 GTR的内部结构 (65)

3.7.2 GTR的外部结构 (67)

3.7.3 GTR的电路结构 (68)

第四章晶闸管静态特性 (70)

4.1 概述 (70)

4.1.1基本结构和基本特性 (70)

4.1.2基本工作原理 (72)

4.2 晶闸管的耐压能力 (73)

4.2.1PNPN结构的反向转折电压 (73)

4.2.2 PNPN结构的正向转折电压 (75)

4.2.3晶闸管的高温特性 (76)

4.3 晶闸管最佳阻断参数的确定 (79)

4.3.1最佳正、反向阻断参数的确定 (79)

4.3.2 λ因子设计法 (82)

4.3.3 P2区相关参数的估算 (84)

4.4 晶闸管的门极特性与门极参数的计算 (89)

4.4.1 晶闸管的触发方式 (89)

4.4.2 门极参数 (93)

4.4.3门极触发电流、触发电压的计算 (93)

4.3.3中心放大门极触发电流、电压的计算 (96)

4.5 晶闸管的通态特性 (99)

4.5.1通态特征分析 (99)

4.5.2 计算晶闸管正向压降的模型 (101)

4.5.3 正向压降的计算 (103)

第五章晶闸管动态特性 (109)

5.1晶闸管的开通过程与特性 (109)

5.1.1 晶闸管开通时的电流电压变化 (109)

5.1.2 开通过程 (111)

5.1.3 开通时间 (112)

5.1.4 等离子区的扩展 (115)

5.1.5 开通过程中的功率损耗 (118)

5.2 通态电流临界上升率 (119)

5.2.1 开通过程中的电流上升率(d i/d t) (119)

5.2.2 提高d i/d t耐量的措施 (120)

5.3 断态电压临界上升率 (123)

5.3.1 d v/d t引起的开通 (123)

5.3.2 提高d v/d t耐量的途径 (124)

5.4 关断特性 (126)

5.4.1 关断方法 (126)

5.4.2 关断的物理过程 (127)

5.4.3 关断时间与元件参数之间的关系 (130)

5.4.4 减小关断时间的措施 (131)

第六章耗散功率与散热 (133)

6.1耗散功率 (133)

6.1.1通态耗散功率 (133)

6.1.2 开通耗散功率 (134)

6.1.3 关断耗散功率 (134)

6.1.4 阻断耗散功率 (134)

6.1.5 门极耗散功率 (135)

6.2散热 (135)

6.2.1 自然冷却散热 (136)

6.2.2 风冷散热 (136)

6.2.3水冷散热 (137)

6.2.4油冷散热 (137)

6.2.5沸腾冷却散热 (138)

第七章晶闸管的设计 (139)

7.1 晶闸管设计的特点及原则 (139)

7.1.1 晶闸管设计的特点 (139)

7.1.2 设计方法与步骤 (139)

7.1.3 晶闸管的设计原则 (139)

7.2 晶闸管设计方法 (140)

7.2.1 设计思想 (140)

7.2.2 晶闸管设计的主要因素 (140)

7.2.3 纵向结构的设计 (141)

7.2.4 横向结构（门极－阴极图形）设计 (144)

7.3 晶闸管设计举例 (148)

7.3.1 设计技术指标 (148)

7.3.2 设计思想 (148)

7.3.3 设计计算 (148)

7.3.4 验算 (152)

第一章电力半导体器件的发展概况

1956年可控硅整流器(英文缩写SCR，泛称晶闸管)的发明并于次年由GE公司推出商品，是半导体应用由弱电跨入强电的里程碑。其后平面工艺和外延技术的发明，又使半导体器件向两大分支发展：一支以晶体管或其它半导体器件组成愈来愈小的集成电路，为适应微型化发展，形成了以半导体集成电路为主体的新兴学科一微电子学；另一分支则是以晶闸管为主体的功率(电力)半导体分立器件，向愈来愈大的功率方向发展，为解决电力电子与控制技术形成了以静态功率变换和电子控制为主要内容的新兴边缘学科——电力电子学。

1.1 电力半导体器件与电力电子技术

1973年，Newell在第四届硅电力电子学专家会议（PESC）上提出，电力电子学是介于电器工程三大领域：电力、电子与控制之间的边缘学科，并用图1－1的所谓“倒三角”定义来说明。这一定义已被国际上所公认。根据“倒三角”定义，电力电子学就是已晶闸管为主体的功率（电力）半导体器件为核心部件，跨于电力、电子和控制三大领域的一门边缘学科。

图1－1 电力电子学“倒三角”定义

作为边缘学科的电力电子学，它所包含的内容及其广泛，既有半导体器件问题，也有电路、控制、装置即器件的应用问题。尽管它们都有各自的理论装置、系统和发展方向，但它们之间又是相互关联的。电力半导体器件的发展，特别是新型器件的出现和采用，都会以自己的特长占有不同的应用领域，使应用面不断拓宽和扩大；反过来，电力电子技术的发展对器件提出更高的要求，又会促进器件的性能的提高和新器件的发展。因为用什么器件的串、并联技术，用什么样的电路来实现装置设备，反映了器件与线路之间的关系。新的器件能促进电路达到新的水平，而新的电路则可祢补器件性能之不足。为了使电路达到更完善的水平，还必须提高控制水平；这就要求采用新的控制方式和使用新的工具。但是，器件、电路及系统控制的最终目的是要完成一个实用的电力电子装置。由此可见，电力电子学把器件、装置、控制系统紧密地联系在一起，它们相辅相戍，形成一个具有内在系统性的有机体。

作为一门应用科学，它广泛应用于科学研究，国民经济中的电力、交通、通讯、冶金、机械、化工、仪器仪表及国防工业等部门，并逐步推广到家用电器等应用领域。特别是电力电子技术作为节能最富有成效的技术之一，已成为发展快、生命力强的技术之一。

电力电子技术作为国民经济各项高技术发展的基础技术，为大幅度节能，机电一体化，提高生产效能提供主要支撑技术，而电力电子技术的核心和基础则是电力半导体器件。

1.2 电力半导体器件的分类与发展

电力电子技术发展的快慢，在很大程度上取决于电力电子器件的发展水平。器件容量的扩大和结构原理的更新，特别是新型器件的出现都是各种应用技术发展的要求和半导体器件理论、半导体材抖、半导体工艺发展的结果。近几十年来，新技术、新工艺方面就出现了中子姬变掺杂，电子辐照、γ辐照的寿命控制技术；器件的CAD技术；PN结表面造型及终端技术；器件的高可靠技术等；以及由微电子技术引入的精细加工技术，等等。电力半导体器件的基本理论，从电流模式发展到电荷控制模式；出现了短路阴极理论；表面理论；GTO 晶闸管从一维关断理论发展为二维关断模式，引入了阳极短路，隐埋门极等新结构；GTR 的达林顿结构形式引伸到各种复合器件，并成为MOS一双极型复合器件的基本结构形式；特别是微电子技求与电力器件制造技术相结合所产生的集成功率器件，使得以往不被人们重视的电力半导体一跃而成为高科技发展之列。此外，器件的封装已由压焊发展到压接式和全压接结构。总之，电力半导体已在材料、器件基本理论、设计原理、制造技术等诸方面形成了自己的体系和发展方向，成为半导体的一大独立分支。

下面简要介绍各类器件的发展概况。

1.2.1 双极型电力半导体器件

50年代第一个晶闸管和双极晶体管成为商品，标志着固态电力电子技术的开始。此后，双极型半控器件(如:晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管等)和全控型器件(门极可关断晶闸管、电力晶体管、静电感应晶闸管等)相继出现，品类繁多，且其电压、电流等额定值得到稳定提高。特别是70年代NTD硅单晶的试制成功，双扩散工艺的成熟以及双正角造型技术的使用，使器件的电压、电流、频率等额定值达到很高水平。图1-1 (a)和(b)分别示出了普通晶闸管、光控晶闸管、快速晶闸管的目前水平及其发展趋势。图1-2 (a)和(b)分别示出了GTO , SITH的目前水平及其发展趋势。虽然这些器件已在电力电子技术领域得到广泛的应用，但由于SCR , LTT等半控器件存在着不能用门极控制其关断，因而需要繁锁、复杂的辅助关断电路；又由于GTO，GTR等全控器件存在着需要较大的控制电流，因而需要由分立器件组成的庞大门极控制电路等原因，使这些器件的发展和使用受到很大的影响。

图1-1普通晶闸管、光控晶闸管及快速晶闸管的额定值(a)及其发展趋势(b)

图1-2可关断晶闸管、静电感应晶闸管的额定

值(a)及其发展趋势(b)

目前相控晶闸管已广泛用于直流电机调速，交流风机和水泵的变压调速以及调光、调温等领域。虽然相控方法在交流电网内产生谐波和较差的功率因数，而且其使用正在逐步减少，但这是一种电网电压控制和变换的经济而简便的方法，特别是相控的固有特点是电网电流过零时关断晶闸管，因此不会产生大的关断损耗，它将被很好地使用到下一个世纪。

快速晶闸管具有短的关断时间(一般在10～50μs)，这种器件常用于直流变交流的逆变电路内，并用外部电路使其强迫关断。随着GTO, GTR和IGBT的出现，使快速晶闸管在很大一部分逆变电路内失去了应用。目前它主要用于感应加热。高Q因子的感应加热线圈需要一个补偿电容器来消除电源与负载之间的环流无功功率，因此感应加热逆变器需要做成高Q 的谐振负载，这就需要简单自然换向的快速晶闸管，而高压领域GTO还将占有一席之地。

静电感应晶闸管(SITH)与GTO相似是一种“擎住”开关，与GTO不同之处它是一种非对称阻断的常通型器件，实质上是一个场控二极管，可在门极上加负偏压来阻断SITH。在硬开关应用中，只需将门极电压从负变为正即可使SITH开通。开通时所需驱动电流相对较低，但关断时所需驱动电流很大，其关断电流增益只有1~3，通态电压降亦比GTO大。由于SITH在开通和关断时是在整个硅片面积内均匀进行，因此它的d i/d t承受能力很高，而再加上d v d t能力至少要比GTO器件高一个数量极，这此特性大丈降低或消除了因d i/d t

和d v d t所需的吸收电路。SITH的关断拖尾时间与GTO相当，但它的频率要比GTO高得多。目前SITH器件已用于高频感应加热装置。制造SITH的难点在于其制造工艺方法很难控制，工艺方法的微小变化就可使最终产品的性能发生重大变化，目前正在开发常闭型SITH。

GTR是非擎住器件或“线性”器件，是一种电流控制的双极双结电力半导体器件。由

于它的电流增益差，因此七十年代出现了绝缘型GTR达林顿模块，以满足大功率逆变器的应用。图1-3示出GTR的额定值和发展趋势。一般达林顿GTR模块的饱和电压降为1. 5~3V,

图1-3电力晶体管的额定值(a)及其发展趋势(b)

存储时间和电流下降时间的典型值分别为15μs。和3μs。GTR模块已广泛用于电机控制的PWM逆变器、不间断电源以及开关电源内。由于GTR存在着固有的二次击穿，且其安全工作区受各项参数影响而变化和热容量小、过流能力低等问题，目前在开关电源内已逐步被MOSFET以及在电机调速和UPS内正逐步被IGBT所替代。无疑GTR在今后几年内将继续存在于现有的设计电路内，但最新设计的电路将采用IGBT。

1.2.2 MOS结构电力半导体器件

由于GTR, GTO和SITH等双极型全控器件必须要有较大的控制电流，因而门极控制电路非常庞大，使系统的体积和重量增大并使效率降低，从而促进了新一代具有高输入阻抗的MOS结构电力半导体器件的开发。而这些现代电力半导体器件的制造工艺是借助于原先CMOS集成电路的MOS工艺，并充分结合电力电子技术而制成的。下面将分别简要介绍功率MOSFET, IGBT和MCT。图1-4 (a)示出了功率MOSFET的目前水平，图1-4 (b)示出了MOSFET. IGBT和MCT的发展趋势及相应的简略结构图。

MOSFET, IGBT, MCT的发展趋势(b)

图1-5功率MOSFET, IGBT和MCT的简略结构示意图

(a)功率MOSFET (b) IGBT (c) MCT

功率MOSFET是一种电压型高频多数载流子器件，与GTR不同的是功率MOSFET的栅极是电绝缘的，是电压驱动器件，基本上不要求稳定的驱动电流，驱动电路只需要在器件开通时提供容性充电电流，而关断时提供放电电流即可，因此驱动很简单。

为了获得高输入阻抗的高电压器件，1980年研制出IGBT器件，它是功率MOSFET工

艺技术基础上的产物。比较图1-5功率MOSFET与IGBT的结构图可以看出，二者除IGBT

P+替代MOSFET N+外，几乎完全一样，这使IGBT器件的制造在功率MOSFET器件制造的基础上能很快商业化，但是它们的工作原理完全不同。因IGBT的集电极和发射极之间有一个寄生晶闸管，该晶闸管的擎住可使IGBT失去控制并损坏，这是学者们长期研究给以解决的问题。IGBT兼有MOSFET高输入阻抗、高速特性和GTR大电流密度特性的混合器件。与功率MOSFET一样，它的栅极是绝缘的，驱动功率很小。IGBT在600~ 1800V范围内的通态电压降与GTR相似，约为1. 5~3V，这要比类似额定电压的功率MOSFET的通态电压降小得多。IGBT的开关速度要比功率MOSFET的速度低，但要比GTR快，IGBT的关断存储时间和电流下降时间分别为0. 2 ~0. 4μs和0.2~1. 5μs。IGBT较高的工作频率，宽而稳定的开关安全工作区，较高的效率以及简单的驱动电路，使IGBT在600V以上的开关电源、交流电机控制用的PWM逆变器和UPS内成功地逐步替代GTR，而且这种趋势还将继续下去。IGBT具有正、反向阻断能力，正向电压是由P基区/n-漂移区结的反偏承受，而反向电压是由P+基片/n-漂移区结的反偏承受，但是商用IGBT器件由于n-漂移区和P+基片之间存在n＋缓冲层，所以只有正向阻断能力。这种穿通结构使器件在直流电路应用中具有良好的导通电压降和安全工作区特性。将来IGBT需要用于交流电路时，就需研究对称阻断结构的IGBT器件。目前已研制出带电流检测端的IGBT和智能IGBT模块，这种智能IGBT模块具有集成的驱动电路和保护电路，几百安、1200V的半桥和三相桥智能IGBT模块已有商品。提高IGBT的电压额定值，研究具有较高频率和较低损耗的IGBT以及开展具有集成保护功能的智能IGBT是今后的发展方向。为了提高IGBT器件的电压，目前已用槽沟(Trench )技术替代平面(Planar)技术，已研制出4500V ,通态电压降2. 6V，电流密度达到100A/cm的IGBT 器件，并用双栅极结构来解决器件的通态电压降与开关频率之间的矛盾。

MOS控制晶闸管(MCT)是一种在它的单胞内集成了MOSFET的晶闸管，利用MOS门来控制晶闸管的开通和关断。它是一种擎住器件，具有晶闸管的低通态压降，但其工作电流密度远高于IGBT和GTR。MCT的单胞结构保证了集成的MOSFET处于完全控制MCT芯片的全面积导通和关断，因此MCT的导通d i/d t和阻断d v/d t能力非常高，可分别达到2000A/μs和20000V/μs，而其工作结温可达150~200℃。与任何MOS门控器件一样，MCT 驱动电路功率要求也很小。与其它晶闸管一样，MCT在理论上可以制成千伏的阻断电压和几千赫的开关频率，且其关断增益极高，目前已研制出3000V的高压MCT，并有很低的通态电压。由于晶闸管的再生作用，使之用MOS栅来关断晶闸管电流就非常困难，现在已有几种办法来解决此问题，其中较为先进的是MCT (MOS Controlled Thyristor)、BRT (Base Resistance Controlled Thyristor)、EST (Emitter Switched Thyristor)结构。MCT和BRT结构都具有良好的通态电压降，在关断时间为0. 3μs时，约为1. 1V左右。但是它们共同缺点是不呈现正偏安全工作区，当用于传动装置时就需要吸收电路来保护器件。而且MCT结构需采用3次扩散形成结的办法才能制成器件，从而使制造工艺更复杂。EST结构是利用晶闸管电流强迫流过MOSFET沟道以达到MOS栅的控制目的，这不仅提供MOS栅控制关断能力，而且允许电流在晶闸管的基本结构内饱和。它的正偏安全工作区与IGBT器件的差不多，但它的通态电压降要比MCT和BRT结构的高，在关断时间为0. 3us时，约为1. 5V。由于EST 结构具有良好的正偏安全工作区特性，所以它将是制造MOS晶闸管的较好结构。目前75A, 1kV的MCT已应用于串联谐振变流器。现有10多家外国公司竟相开展MCT, BRT和EST 结构的研究，以改进其器件的电气性能。专家们预测，一旦MCT的性能和价格达到商用程度，就有可能替代高压GTO，并与IGBT在中功率领域形成有限的竞争，而MCT最终有可能取胜。

1.2.3电力整流管

随着高性能、高频开关器件和IGBT、MCT的发展，开发高性能、高频电力整流管已成为一个非常重要和迫切的任务。

众所周知，电力整流管是电力半导体器件中结构最简单、用途最广泛的一种器件。图1-6(a)和(b)分别为目前常用的几种电力整流管的水平及其发展趋势，

图1-6普通、快恢复和肖特基整流管的额定值(a)及其发展趋势(b)

它们相互比较各有其特点：普通整流管具有较小的楼电流，较高的通态电压降（1.0-1.8）和几十微秒的反向恢复时间；肖特基整流管具有较低的通态压降（0.3～0.6），较大的的楼电流，反向恢复时间几乎为零；而PIN快恢复整流管具有较快的反向恢复时间（几百ns～2μs），但其通态压降很高（1.6～4.0）。为了满足快速开关器件应用配套需要，人们利用大规模集成电路工艺和精细的镶嵌结构，机肖特基整流管和PIN整流管的优点于一体，已研制出MPS(Merged PIN/Schottky diode)结构的电力整流管，如图1.7所示。它不仅具有较高的反

图1-7左为PIN整流管，右为MPS整流管的结构示意图

向阻断电压，而且其通态压降很低，反向恢复时间很短，反向恢复峰值电流很小，而且具有软的反向恢复特性。MPS结构的电力整流管的通态压降约为1V，反向恢复时间是PIN整流管的1/2，反向恢复峰值电流是PIN整流管的1/3。若以MPS整流管代替PIN整流管与IGBT 配合使用，可使系统的总功耗降低1/2，大大改善了系统的性能。

1.2.4功率集成电路（PIC）

功率集成电路是近几年发展很快的一种“器件”，它是微电子技术和电力电子技术相结合的产物，其功能是使功率与信息合一，成为机、电的重要接口。由于装置采用PIC，可使装置内电源部分的体积缩小、重量减轻、寄生的L和C减小、性能改进、可靠性提高、从而使装置的成本降低。目前，对PIC还没有一个严格和确切的定义，一般其电压大于几十伏，或电流大于几百毫安或功率大于1W就称为PIC。PIC分为两类：高压集成电路（HVIC）和智能集成电路（SPIC）,前者用横向高压器件（承受高压的两个电机都从芯片的同一表面引出）与起控制作用的传统逻辑电路或模拟电路继承，后者是纵向功率器件（管芯背面作主电极，通常是集电极或漏极）与逻辑或模拟控制电路、传感器以及保护电路等单片继承。图1-8示出了PIC的电流、电压范围及其应用领域。随着制造PIC工艺的成熟，

图1-8 PIC电压、电流范围及应用领域

同一芯片上制造不同元件精度的提高，PIC将获得重大发展，成为未来的重要电力半导体器件。

1.3新型半导体材料在电力半导体器件中的应用

随着高频电力电子技术的发展，要求电力半导体器件具有高的开关速度、低的通态损耗、

高的输入阻抗、高的工作温度、优良的热稳定性以及良好的防辐射能力。利用传统的硅单晶材料已不能很好地满足上述要求，因此具有较大禁带宽度、较高载流子迁移率和良好电热传导性的碳化硅、砷化镓和金刚石薄片得到很好的开发。由于SiC的制造工艺要比金刚石成熟，它的性能又比GaAs高一个数量级，因此制造SiC电力半导体器件最有前途，也较现实。目前已研制出φ25mm的SiC基片，实现了SiC衬底低缺陷的外延工艺，而且氧化、参杂、半导体金属接触腐蚀等工艺方法逐步成熟。已制造出600V SiC FET器件，600V SiC肖特基势垒二极管，前者的正向压降为0.1V，电流密度为100A/cm2，关断时间0.01μs，后者的正向压降为1V，电流密度100A/cm2,反向恢复时间0.01μs，反向恢复峰值电流几乎为0。它们的功耗随频率的增加而增加，50kHz内变化很小。目前各国都加强了对这种新型半导体材料制作的研究，由于这些新型半导体材料在制作上还存在着相当难度，因此预计近期内还不可能普遍用于电力半导体器件的制造中。但是这种趋势必须引起电力电子工程师们的充分注意和重视，积极开展这方面的开发和研究工作。

综合上述各种电力半导体器件的特性、优缺点及其发展趋势，可以认为IGBT、MCT 以及MPS结构的电力整流管是今后最有发展前景的器件。进一步提高IGBT和MCT的额定电压、电流和工作频率，改善MPS的软反向恢复特性以及降低IGBT的通态压降，研制智能IGBT模块，开发低电压（2~3V）电源用的并具有低通态压降和低压电力整流管将是今后研制工作重点之一。

功率MOSFET在高频、的电压、小功率领域近期内尚无竞争对手，它继续是一种具有生命力的器件，特别是各种智能功率MOSFET的开发成功，更使它的用量增大。随着高频电力电子技术的发展，用碳化硅制成的电力电子开关器件和电力整流管，在降低功耗、提高工作频率中将发挥巨大的作用，因此更进一步开发各种碳化硅电力电子开关器件亦是今后研究工作的重点。

GTO器件在采用了各种新工艺、新技术和新的结构后，可制成只需的吸收电路的高压GTO,以满足1500V以上直流电压和线电压的要求，因此GTO器件在大功率、超高压领域，特别在牵引领域将继续发挥的作用。GTR器件器件的前景较为暗淡，低压（600V）以下的应用将逐步被功率MOSFET替代，而600V以上的应用将逐步由IGBT代替。大功率晶闸管用量今后将逐年减少，但超高压（8000V）、大电流(3000A)的晶闸管将继续在HVDC和静止无功补偿装置上使用。

第二章电力整流管

大多数二极管就是只饱含—个P—N结的两端器件，称为P—N结二报管。P—N结可以完成不同的功能。本章分析P—N结作为整流器的特性。所调整流器，是指一种大面积的功率器件，常称为功率整流器或功率二极管。典型的功率整流管为PIN结构。本章将分析功率整流二极管的正向特性、反向特性、开关特性，并介绍P—N结终端技术及表面保护。

2.1 电力整流二极管的基本结构和类型

2.1.1功率二极管的基本结构

实际的二极管，一般就是一个P—N结加上电极引线和外壳封装而成的，称为P－N结二极管。根据P—N结的不同掺杂情况和几何结构而具有不同特性，可以制成不同用途的二极管。例如利用P—N结整流特性制成的整流二极管；利用击穿特性别成的稳压二极管；利用隧道效应制成的隧道二极管；利用P—N结电容效应制成的变容二极管和将P—N结作为光源的电致发光二极管，等等。所有这些，其核心都是P—N结。对于以P—N结为核心的整流二极管，通常定义通过电流大于1A的二极管为功率二极管或功率整梳管。根据器件容量的不同，功率整流管的管芯结构有如下几种：

(1) P+—N结构(图2-1a)

(2) P＋—N—N＋结构，中间区域为低掺杂，两边为高掺杂的P+和N＋区，如图2-1(b)所示。

(3) P＋－P－N—N＋结构，如图2-1(c)所示。

(a) (b) (c)

图2－1功率二极管的管芯结构示意图

以上三种结构中，P+—N结构只是理论上的一种结构，不适于制作功率整流管。后两种是制作功率整流管的两种基本结构。

2.1.2 功率整流管的基本类型

报据器件制造和应用的不同特点，功率整流管可以分为五大类

1. 硅整流管

硅功率整流管一般在普通整流管。当电流大于1A时，称为功率二极管或功率整流管。器件的电流容量可在1～1000A以上，电压从几十伏到数千伏，工作结温可达140℃。这种器件只适合于频率较低（400Hz以下）的电网换相变流器中使用。目前器件最高水平可达2. 快速二极管

快速二极管是一种反向恢复时间短，恢复电荷量较少，可以在400Hz以上频率下工作的整流管。通常也称为快恢复二极管。在快速型二极管中，除普通的（P-N结）快恢复二极

第一章 电力半导体器件(基础教育)

电力电子变流技术试题汇总 （第一章 电力半导体器件） 一、填空题 1.晶闸管是三端器件，三个引出电极分别是，阳极、门极和__阴__极。 2.晶闸管额定通态平均电流I VEAR 是在规定条件下定义的，是晶闸管允许连续通过__工频__正弦半波电流的最大平均值。 3.处于阻断状态的晶闸管，只有在阳极承受正向电压，且__门极加上正向电压 _时，才能使其开通。 4.晶闸管额定通态平均电流I VEAR 是在规定条件下定义的，条件要求环境温度为_+400__。 5.对同一只晶闸管，断态不重复电压U DSM 与转折电压U BO 数值大小上有U DSM __小于_U BO 。 6..对同一只晶闸管，维持电流I H 与擎住电流I L 在数值大小上有I L _≈（2～4）_I H 。 7..晶闸管反向重复峰值电压等于反向不重复峰值电压的_90%___。 8.普通逆阻型晶闸管的管芯是一种大功率__四__层结构的半导体元件。 9.可关断晶闸管（GTO ）的电流关断增益βoff 的定义式为min off G A I I -= β。 10.晶闸管门极触发刚从断态转入通态即移去触发信号，能维持通态所需要的最小阳极电流，称为____擎住电流 I L __。 11..晶闸管的额定电压为断态重复峰值电压U DRm 和反向重复峰值电压U RRm 中较_小__的规化值。 12.普通晶闸管的额定电流用通态平均电流值标定，双向晶闸管的额定电流用__有效值_标定。 13.普通晶闸管属于__半控型_器件，在整流电路中，门极的触发信号控制晶闸管的开通，晶闸管的关断由交流电源电压实现。 14.IGBT 的功率模块由IGBT 和_快速二极管_芯片集成而成。 15.对于同一个晶闸管，其维持电流I H _ 小于_擎住电流I L 。 16.2.可用于斩波和高频逆变电路，关断时间为数十微秒的晶闸管派生器件是__快速晶闸管____。 17.功率集成电路PIC 分为二大类，一类是高压集成电路，另一类是__智能功率集成电

半导体器件(附答案)

第一章、半导体器件（附答案） 一、选择题 1．PN 结加正向电压时，空间电荷区将 ________ A. 变窄 B. 基本不变 C. 变宽 2．设二极管的端电压为 u ，则二极管的电流方程是 ________ A. B. C. 3．稳压管的稳压是其工作在 ________ A. 正向导通 B. 反向截止 C. 反向击穿区 4．V U GS 0=时，能够工作在恒流区的场效应管有 ________ A. 结型场效应管 B. 增强型 MOS 管 C. 耗尽型 MOS 管 5．对PN 结增加反向电压时，参与导电的是 ________ A. 多数载流子 B. 少数载流子 C. 既有多数载流子又有少数载流子 6．当温度增加时，本征半导体中的自由电子和空穴的数量 _____ A. 增加 B. 减少 C. 不变 7．用万用表的 R × 100 Ω档和 R × 1K Ω档分别测量一个正常二极管的正向电阻，两次测 量结果 ______ A. 相同 B. 第一次测量植比第二次大 C. 第一次测量植比第二次小 8．面接触型二极管适用于 ____ A. 高频检波电路 B. 工频整流电路 9．下列型号的二极管中可用于检波电路的锗二极管是： ____ A. 2CZ11 B. 2CP10 C. 2CW11 D.2AP6 10．当温度为20℃时测得某二极管的在路电压为V U D 7.0=。若其他参数不变，当温度上 升到40℃，则D U 的大小将 ____ A. 等于 0.7V B. 大于 0.7V C. 小于 0.7V 11．当两个稳压值不同的稳压二极管用不同的方式串联起来，可组成的稳压值有 _____ A. 两种 B. 三种 C. 四种 12．在图中，稳压管1W V 和2W V 的稳压值分别为6V 和7V ，且工作在稳压状态，由此可知输 出电压O U 为 _____ A. 6V B. 7V C. 0V D. 1V

半导体器件基础测试题

第一章半导体器件基础测试题（高三） 姓名班次分数 一、选择题 1、N型半导体是在本征半导体中加入下列物质而形成的。 A、电子； B、空穴； C、三价元素； D、五价元素。 2、在掺杂后的半导体中，其导电能力的大小的说法正确的是。 A、掺杂的工艺； B、杂质的浓度： C、温度； D、晶体的缺陷。 3、晶体三极管用于放大的条件，下列说法正确的是。 A、发射结正偏、集电结反偏； B、发射结正偏、集电结正偏； C、发射结反偏、集电结正偏； D、发射结反偏、集电结反偏； 4、晶体三极管的截止条件，下列说法正确的是。 A、发射结正偏、集电结反偏； B、发射结正偏、集电结正偏； C、发射结反偏、集电结正偏； D、发射结反偏、集电结反偏； 5、晶体三极管的饱和条件，下列说法正确的是。 A、发射结正偏、集电结反偏； B、发射结正偏、集电结正偏； C、发射结反偏、集电结正偏； D、发射结反偏、集电结反偏； 6、理想二极管组成的电路如下图所示，其AB两端的电压是。 A、—12V； B、—6V； C、+6V； D、+12V。 7、要使普通二极管导通，下列说法正确的是。 A、运用它的反向特性； B、锗管使用在反向击穿区； C、硅管使用反向区域，而锗管使用正向区域； D、都使用正向区域。 8、对于用万用表测量二极管时，下列做法正确的是。 A、用万用表的R×100或R×1000的欧姆，黑棒接正极，红棒接负极，指针偏转； B、用万用表的R×10K的欧姆，黑棒接正极，红棒接负极，指针偏转； C、用万用表的R×100或R×1000的欧姆，红棒接正极，黑棒接负极，指针偏转； D、用万用表的R×10，黑棒接正极，红棒接负极，指针偏转； 9、电路如下图所示，则A、B两点的电压正确的是。 A、U A=3.5V，U B=3.5V，D截止；

《半导体器件》习题及参考答案

第二章 1 一个硅p －n 扩散结在p 型一侧为线性缓变结，a=1019cm -4，n 型一侧为均匀掺杂，杂质浓度为3×1014cm －3，在零偏压下p 型一侧的耗尽层宽度为0.8μm，求零偏压下的总耗尽层宽度、内建电势和最大电场强度。 解：)0(,22≤≤-=x x qax dx d p S εψ )0(,2 2n S D x x qN dx d ≤≤-=εψ 0),(2)(22 ≤≤--=- =E x x x x qa dx d x p p S εψ n n S D x x x x qN dx d x ≤≤-=- =E 0),()(εψ x ＝0处E 连续得x n ＝1.07μm x 总=x n +x p =1.87μm ?? =--=-n p x x bi V dx x E dx x E V 0 516.0)()( m V x qa E p S /1082.4)(25 2max ?-=-= ε,负号表示方向为n 型一侧指向p 型一侧。 2 一个理想的p-n 结，N D ＝1018cm －3，N A ＝1016cm －3，τp＝τn＝10－6s ，器件的面积为1.2×10－5cm －2，计算300K 下饱和电流的理论值，±0.7V 时的正向和反向电流。 解：D p ＝9cm 2/s ，D n ＝6cm 2/s cm D L p p p 3103-?==τ，cm D L n n n 31045.2-?==τ n p n p n p S L n qD L p qD J 0 + =

I S =A*J S =1.0*10-16A 。 ＋0.7V 时，I ＝49.3μA ， －0.7V 时，I ＝1.0*10-16A 3 对于理想的硅p +-n 突变结，N D ＝1016cm －3，在1V 正向偏压下，求n 型中性区内存贮的少数载流子总量。设n 型中性区的长度为1μm，空穴扩散长度为5μm。 解：P ＋ >>n ，正向注入：0)(2 202=---p n n n n L p p dx p p d ，得： ) sinh() sinh() 1(/00p n n p n kT qV n n n L x W L x W e p p p ---=- ??=-=n n W x n n A dx p p qA Q 20010289.5)( 4一个硅p +-n 单边突变结，N D ＝1015cm －3，求击穿时的耗尽层宽度，若n 区减小到5μm，计算此时击穿电压。 解：m V N E B g c /1025.3)1 .1E )q ( 101.148 14 32 1S 7 ?=?=（ ε V qN E V B C S B 35022 == ε m qN V x B B S mB με5.212== n 区减少到5μm 时，V V x W x V B mB mB B 9.143])(1[2 2 /=--＝ 第三章 1 一个p +-n-p 晶体管，其发射区、基区、集电区的杂质浓度分别是5×1018，1016，1015cm －3，基区宽度W B 为1.0μm，器件截面积为3mm 2。当发射区－基区结上的正向偏压为0.5V ，集电区－基区结上反向偏压为5V 时，计算

半导体基础知识和半导体器件工艺

半导体基础知识和半导体器件工艺 第一章半导体基础知识 通常物质根据其导电性能不同可分成三类。第一类为导体，它可以很好的传导电流，如：金属类，铜、银、铝、金等；电解液类：NaCl水溶液，血液，普通水等以及其它一些物体。第二类为绝缘体，电流不能通过，如橡胶、玻璃、陶瓷、木板等。第三类为半导体，其导电能力介于导体和绝缘体之间，如四族元素Ge锗、Si硅等，三、五族元素的化合物GaAs砷化镓等，二、六族元素的化合物氧化物、硫化物等。 物体的导电能力可以用电阻率来表示。电阻率定义为长1厘米、截面积为1平方厘米的物质的电阻值，单位为欧姆*厘米。电阻率越小说明该物质的导电性能越好。通常导体的电阻率在10-4欧姆*厘米以下，绝缘体的电阻率在109欧姆*厘米以上。 半导体的性质既不象一般的导体，也不同于普通的绝缘体，同时也不仅仅由于它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于半导体具有以下的特殊性质： (1) 温度的变化能显著的改变半导体的导电能力。当温度升高时，电阻率会降低。比如Si在200℃时电阻率比室温时的电阻率低几千倍。可以利用半导体的这个特性制成自动控制用的热敏组件（如热敏电阻等），但是由于半导体的这一特性，容易引起热不稳定性，在制作半导体器件时需要考虑器件自身产生的热量，需要考虑器件使用环境的温度等，考虑如何散热，否则将导致器件失效、报废。 (2) 半导体在受到外界光照的作用是导电能力大大提高。如硫化镉受到光照后导电能力可提高几十到几百倍，利用这一特点，可制成光敏三极管、光敏电阻等。 (3) 在纯净的半导体中加入微量（千万分之一）的其它元素（这个过程我们称为掺杂），可使他的导电能力提高百万倍。这是半导体的最初的特征。例如在原子密度为5*1022/cm3的硅中掺进大约5X1015/cm3磷原子，比例为10-7（即千万分之一），硅的导电能力提高了几十万倍。 物质是由原子构成的，而原子是由原子核和围绕它运动的电子组成的。电子很轻、很小，带负电，在一定的轨道上运转；原子核带正电，电荷量与电子的总电荷量相同，两者相互吸引。当原子的外层电子缺少后，整个原子呈现正电，缺少电子的地方产生一个空位，带正电，成为电洞。物体导电通常是由电子和电洞导电。前面提到掺杂其它元素能改变半导体的导电能力，而参与导电的又分为电子和电洞，这样掺杂的元素（即杂质）可分为两种：施主杂质与受主杂质。将施主杂质加到硅半导体中后，他与邻近的4个硅原子作用，产生许多自由电子参与导电，而杂质本身失去电子形成正离子，但不是电洞，不能接受电子。这时的半导体叫N型半导体。施主杂质主要为五族元素：锑、磷、砷等。 将施主杂质加到半导体中后，他与邻近的4个硅原子作用，产生许多电洞参与导电，这时的半导体叫p型半导体。受主杂质主要为三族元素：铝、镓、铟、硼等。电洞和电子都是载子，在相同大小的电场作用下，电子导电的速度比电洞快。电洞和电子运动速度的大小用迁移率来表示，迁移率愈大，截流子运动速度愈快。假如把一些电洞注入到一块N型半导体中，N型就多出一部分少数载子――电洞，但由于N型半导体中有大量的电子存在，当电洞和电子碰在一起时，会发

半导体器件物理 试题库

半导体器件试题库 常用单位： 在室温（T = 300K ）时，硅本征载流子的浓度为 n i = 1.5×1010/cm 3 电荷的电量q= 1.6×10-19C μn =1350 2cm /V s ? μp =500 2 cm /V s ? ε0=8.854×10-12 F/m 一、半导体物理基础部分 （一）名词解释题 杂质补偿：半导体内同时含有施主杂质和受主杂质时，施主和受主在导电性能上有互相抵消 的作用，通常称为杂质的补偿作用。 非平衡载流子：半导体处于非平衡态时，附加的产生率使载流子浓度超过热平衡载流子浓度， 额外产生的这部分载流子就是非平衡载流子。 迁移率：载流子在单位外电场作用下运动能力的强弱标志，即单位电场下的漂移速度。 晶向： 晶面： （二）填空题 1．根据半导体材料内部原子排列的有序程度，可将固体材料分为 、多晶和 三种。 2．根据杂质原子在半导体晶格中所处位置，可分为 杂质和 杂质两种。 3．点缺陷主要分为 、 和反肖特基缺陷。 4．线缺陷，也称位错，包括 、 两种。 5．根据能带理论，当半导体获得电子时，能带向 弯曲，获得空穴时，能带 向 弯曲。 6．能向半导体基体提供电子的杂质称为 杂质；能向半导体基体提供空穴的杂 质称为 杂质。 7．对于N 型半导体，根据导带低E C 和E F 的相对位置，半导体可分为 、弱简 并和 三种。 8．载流子产生定向运动形成电流的两大动力是 、 。

9．在Si-SiO 2系统中，存在 、固定电荷、 和辐射电离缺陷4种基 本形式的电荷或能态。 10．对于N 型半导体，当掺杂浓度提高时，费米能级分别向 移动；对于P 型半 导体，当温度升高时，费米能级向 移动。 （三）简答题 1．什么是有效质量，引入有效质量的意义何在？有效质量与惯性质量的区别是什么？ 2．说明元素半导体Si 、Ge 中主要掺杂杂质及其作用？ 3．说明费米分布函数和玻耳兹曼分布函数的实用范围？ 4．什么是杂质的补偿，补偿的意义是什么？ （四）问答题 1．说明为什么不同的半导体材料制成的半导体器件或集成电路其最高工作温度各不相同？ 要获得在较高温度下能够正常工作的半导体器件的主要途径是什么？ （五）计算题 1．金刚石结构晶胞的晶格常数为a ，计算晶面（100）、（110）的面间距和原子面密度。 2．掺有单一施主杂质的N 型半导体Si ，已知室温下其施主能级D E 与费米能级F E 之差为 1.5B k T ，而测出该样品的电子浓度为 2.0×1016cm -3，由此计算： （a ）该样品的离化杂质浓度是多少？ （b ）该样品的少子浓度是多少？ （c ）未离化杂质浓度是多少？ （d ）施主杂质浓度是多少？ 3．室温下的Si ，实验测得430 4.510 cm n -=?，153510 cm D N -=?， （a ）该半导体是N 型还是P 型的？ （b ）分别求出其多子浓度和少子浓度。 （c ）样品的电导率是多少？ （d ）计算该样品以本征费米能级i E 为参考的费米能级位置。 4．室温下硅的有效态密度1932.810 cm c N -=?，1931.110 cm v N -=?，0.026 eV B k T =，禁带 宽度 1.12 eV g E =，如果忽略禁带宽度随温度的变化

电力半导体器件及其应用

第8章电力半导体器件及其应用 一、基本要求 1. 了解晶闸管的基本构造、工作原理、特性曲线和主要参数； 2. 掌握单相可控整流电路的可控原理，能够计算在电阻性负载和电感性负载时的输出电压、输出电流以及各元件所通过的平均电流和承受的最大正、反向电压； 3. 了解单结晶体管及其触发电路的作用原理； 4. 了解晶闸管的保护措施； 二、阅读指导 1.晶闸管 晶体闸流管是应用最为广泛的电力半导体器件。阳极加正向电压和控制极加正触发脉冲信号，这是晶闸管导通的必要条件，阳极电流应大于维持电流是晶闸管导通的充分条件。导通之后，控制极就失去控制作用。在晶闸管导通时，若减小阳极电压或阳极电流小于维持电流，晶闸管自动关断。读者在学习过程中必需了解晶闸管的导通和关断的条件。此外，还要了解正向转折电压U BO、反向击穿电压U BR（或称为反向转折电压）、正向重复峰值电压U FRM 及反向重复峰值电压U RRM的意义，并了解晶闸管的型号。 2. 可控整流电路 学习可控整流电路时，读者最好对照第4章中由二极管所组成的不可控整流电路来分析比较电路结构、电压和电流的波形、整流电压平均值和交流电压有效值之间的大小关系以及元件所承受最高反向电压等问题。特别应该注意，在可控整流电路中，晶闸管在交流电压的正半周并不一定全导通，因此晶闸管和二极管不一样，还有承受最高正向电压的问题。 难点是可控整流电路接电感性负载的情况，以及续流二极管的作用。为什么整流电压会出现负值？为什么接了续流二极管（注意其正、负极，不能接反）后，晶闸管在电源电压u2过零时能及时关断？读者应认真阅读教材并仔细思考。 单相桥式半控整流是一种较常用的电路，和二极管桥式整流电路类似，分析其工作原理时，也要分别找出在交流电压的正半周负半周时电流的通路，哪个管导通，哪个截止。 3. 单结晶体管触发电路 对单结晶体管，必须了解单结晶体管的发射极E与第一基极B1之间导通和恢复截止的条件。当发射极E和第一基极B1之间加的电压U E等于峰点电压U P时，单结晶体管导通。导通后，发射极电压U E降低，当U E低于谷点电压U V时，单结晶体管的E、B1间恢复截止。 教材图8-13是典型的晶闸管可控整流电路，其中采用单结晶体管触发电路，主电路是单相桥式半控整流电路。对这个电路，读者要了解三个作用，即稳压管的削波作用，变压器的同步作用和电位器R P的移相作用。要看懂教材图8-14所示的四个波形。 4. 晶闸管的保护 要了解晶闸管可控整流电路中，应用最为广泛快速熔断器的过电流保护和阻容吸收的过

半导体器件的贮存寿命

半导体器件的贮存寿命 时间:2008-09-03 08:34来源:可靠性论坛作者:张瑞霞，徐立生，高兆丰点击:1291次１引言高可靠半导体器件在降额条件（Tj＝１００℃）下的现场使用失效率可以小于１０－８／ｈ，即小于10FIT，按照偶然失效期的指数分布推算，其平均寿命MTTF大于１０８ｈ，即大于１００００年。据文献报导，电子元器件的贮存失效率比工作失效率还要小一个数量级 １引言 高可靠半导体器件在降额条件（Tj＝１００℃）下的现场使用失效率可以小于１０－８／ｈ，即小于10FIT，按照偶然失效期的指数分布推算，其平均寿命MTTF大于１０８ｈ，即大于１００００年。据文献报导，电子元器件的贮存失效率比工作失效率还要小 一个数量级，即小于１Ｆｉｔ。 国内航天用电子元器件有严格的超期复验规定，航天各院都有自己的相应标准，其内容大同小异［１］。半导体器件在Ι类贮存条件下的有效贮存期最早规定为３年，后放宽到４年，最近某重点工程对进口器件又放宽到５年，比较随意。同时规定，每批元器件的超期复验不得超过２次。 美军标规定对贮存超过３６个月的器件在发货前进行Ａ１分组、Ａ２分组以及可焊性检验［２］，并没有有效贮存期的规定。 在俄罗斯军用标准中，半导体器件的最短贮存期一般为２５年，器件的服务期长达３５年，和俄罗斯战略核武器的设计寿命３０年相适应。 然而，国内对于半导体器件的贮存寿命尤其是有效贮存期有着不同的解释，在认识上存在着误区。国内的超期复验的规定过严，有必要参考美、俄的做法加以修订，以免大量可用的器件被判死刑，影响工程进度，尤其是进口器件，订货周期长，有的到货不久就要复验，在经济上损失极大。 ２芯片和管芯的寿命预计 高可靠半导体器件通常采用成熟的工艺、保守的设计（余量大）、严格的质量控制、封帽前的镜检和封帽后的多项筛选，有效剔除了早期失效器件。用常规的寿命试验方法无法评估其可靠性水平，一般采用加速寿命试验方法通过阿列尼斯方程外推其MTTF，其芯片和管芯的寿命极长，通常大于１０８ｈ，取决于失效机构激活能和器件的使用结温。 随着工艺技术的进展，半导体器件的激活能每年大约增长３％。据报道１９７５年的激活能为０ ６ｅＶ，１９９５年增长到１ ０ｅＶ，其MTTF每隔１５年增长一倍，加速系数每隔５年增长一倍。 化合物半导体器件微波性能优越，可靠性高，自８０年代以来，在军事领域得到了广泛的

半导体器件作业 有答案

1．半导体硅材料的晶格结构是（A） A 金刚石 B 闪锌矿 C 纤锌矿 2．下列固体中，禁带宽度 Eg 最大的是（ C ） Ａ金属Ｂ半导体Ｃ绝缘体 3．硅单晶中的层错属于（ C ） Ａ点缺陷Ｂ线缺陷Ｃ面缺陷 4．施主杂质电离后向半导体提供（ B ），受主杂质电离后向半导体提供（ A ），本征激发后向半导体提供（ A B ）。 A 空穴 B 电子 5．砷化镓中的非平衡载流子复合主要依靠（ A ） A 直接复合 B 间接复合 C 俄歇复合 6．衡量电子填充能级水平的是（ B ） Ａ施主能级Ｂ费米能级Ｃ受主能级 D 缺陷能级 7．载流子的迁移率是描述载流子( A )的一个物理量；载流子的扩散系数是描述载流子( B ) 的一个物理量。 A 在电场作用下的运动快慢 B 在浓度梯度作用下的运动快慢 8．室温下，半导体 Si中掺硼的浓度为 1014cm－3，同时掺有浓度为×1015cm－3的磷，则电子浓度约为（ B ），空穴浓度为（ D ），费米能级（ G ）； 将该半导体升温至 570K，则多子浓度约为（ F ），少子浓度为（ F ），费米能级（ I ）。（已知：室温下，ni≈×1010cm－3，570K 时，ni≈2×1017cm －3） A 1014cm－3 B 1015cm－3 C ×1015cm－3 D ×105cm－3 E × 1015cm－3 F 2×1017cm－3 G 高于 Ei H 低于 Ei I 等于 Ei

9．载流子的扩散运动产生（ C ）电流，漂移运动产生（ A ）电流。 A 漂移 B 隧道 C 扩散 10. 下列器件属于多子器件的是（ B D ） Ａ稳压二极管Ｂ肖特基二极管Ｃ发光二极管 D 隧道二极管 11. 平衡状态下半导体中载流子浓度n0p0=ni2，载流子的产生率等于复合率，而当np

电子元器件 半导体器件长期贮存 第1部分：总则-编制说明

国家标准《电子元器件半导体器件长期贮存第1部分：总 则》（征求意见稿）编制说明 一、工作简况 1、任务来源 《电子元器件半导体器件长期贮存第1部分：总则》标准制定是2018年国家标准委下达的国家标准计划项目，计划号：20182268-T-339。由中华人民共和国工业和信息化部提出，全国半导体器件标准化技术委员会集成电路分技术委员会（SAC/TC 78/SC2）归口，中国电子科技集团公司第十三研究所负责标准的制定，项目周期为2年。 2、主要工作过程 2.1 2018.12 成立了编制组，编制组成员包括检验试验管理人员、从事半导体器件长期贮存的技术研究人员，以及具有多年标准编制经验的标准化专家。 2.2 2019.01～2019.04 编制组成员广泛收集资料，对等同采用的IEC标准进行翻译、研究、分析和比较，对国内相关单位展开深入调研和部分试验验证。 2.3 2019.05～2019.06编制工作组讨论稿，编制组内部讨论，对工作组讨论稿进行修改、完善，形成征求意见稿，并完成编制说明。 3 标准编制的主要成员单位及其所做的工作 本标准承办单位为中国电子科技集团公司第十三研究所。在标准编制过程中，主要负责标准的翻译、制定、试验及验证工作。 二、标准编制原则和确定主要内容的论据及解决的主要问题 1、编制原则 本标准为电子元器件半导体器件长期贮存系列标准的第1部分，属于基础标准。为保证半导体器件试验方法与国际标准一致，实现半导体器件检验方法、可靠性评价、质量水平与国际接轨，本标准等同采用IEC 62435-1：2016《电子元器件半导体器件长期贮存第1部分：总则》。 2、确定主要内容的依据 除编辑性修改外，本标准的结构和内容与IEC 62435-1：2016保持一致，标准编写符合GB/T 1.1—2009《标准化工作导则第1部分：标准结构和编写》、GB/T 20000.2-2001 《标准化工作指南第2部分：采用国际标准》的规定。

半导体器件物理与工艺复习题(2012)

半导体器件物理复习题 第二章： 1） 带隙：导带的最低点和价带的最高点的能量之差，也称能隙。 物理意义：带隙越大，电子由价带被激发到导带越难，本征载流子浓度就越低，电导率也就越低 2）什么是半导体的直接带隙和间接带隙？ 其价带顶部与导带最低处发生在相同动量处(p ＝0)。因此，当电子从价带转换到导带时，不需要动量转换。这类半导体称为直接带隙半导体。 3）能态密度：能量介于E ～E+△E 之间的量子态数目△Z 与能量差△E 之比 4）热平衡状态：即在恒温下的稳定状态.(且无任何外来干扰,如照光、压力或电场). 在恒温下,连续的热扰动造成电子从价带激发到导带，同时在价带留下等量的空穴.半导体的电子系统有统一的费米能级,电子和空穴的激发与复合达到了动态平衡，其浓度是恒定的，载流子的数量与能量都是平衡。即热平衡状态下的载流子浓度不变。 5）费米分布函数表达式？ 物理意义：它描述了在热平衡状态下,在一个费米粒子系统（如电子系统）中属于能量E 的一个量子态被一个电子占据的概率。 6 本征半导体价带中的空穴浓度： 7）本征费米能级Ei ：本征半导体的费米能级。在什么条件下，本征Fermi 能级靠近禁带的中央：在室温下可以近似认为费米能级处于带隙中央 8）本征载流子浓度n i : 对本征半导体而言，导带中每单位体积的电子数与价带每单位体积的空穴数相同, 即浓度相同，称为本征载流子浓度，可表示为n ＝p ＝n i . 或：np=n i 2 9) 简并半导体：当杂质浓度超过一定数量后，费米能级进入了价带或导带的半导体。 10) 非简并半导体载流子浓度: 且有: n p=n i 2 其中: n 型半导体多子和少子的浓度分别为: p 型半导体多子和少子的浓度分别为:

半导体器件物理施敏课后答案

半导体器件物理施敏课后答案 【篇一：半导体物理物理教案(03级)】 >学院、部：材料和能源学院 系、所；微电子工程系 授课教师：魏爱香，张海燕 课程名称；半导体物理 课程学时：64 实验学时：8 教材名称：半导体物理学 2005年9-12 月 授课类型：理论课授课时间：2节 授课题目（教学章节或主题）： 第一章半导体的电子状态 1.1半导体中的晶格结构和结合性质 1.2半导体中的电子状态和能带 本授课单元教学目标或要求： 了解半导体材料的三种典型的晶格结构和结合性质；理解半导体中的电子态, 定性分析说明能带形成的物理原因，掌握导体、半导体、绝缘体的能带结构的特点 本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：

1．半导体的晶格结构：金刚石型结构；闪锌矿型结构；纤锌矿型 结构 2．原子的能级和晶体的能带 3．半导体中电子的状态和能带（重点，难点） 4．导体、半导体和绝缘体的能带（重点） 研究晶体中电子状态的理论称为能带论，在前一学期的《固体物理》课程中已经比较完整地介绍了，本节把重要的内容和思想做简要的 回顾。 本授课单元教学手段和方法： 采用ppt课件和黑板板书相结合的方法讲授 本授课单元思考题、讨论题、作业： 作业题：44页1题 本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出） 1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005? 2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导和典型题解》?电子工 业 出版社2005 3. 施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理和工艺》，苏州大学出 版社，2002 4. 方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社 5．曾谨言，《量子力学》科学出版社 注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案；3. “重点”、“难点”、“教学手段和方法”部分要尽量具体；4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题课。

半导体器件电子学教学大纲(精)

《半导体器件电子学》教学大纲 课程编号：MI3221009 课程名称：半导体器件电子学英文名称：Electronics of Semiconductor Devices 学时：46 学分：3 课程类型：限选课程性质：专业课 适用专业：微电子学先修课程：固体物理，半导体物理 开课学期：6 开课院系：微电子学院 一、课程的教学目标与任务 目标：本课程是微电子学专业的基础课。通过本课程的学习，掌握金属-半导体接触、半导体表面及MIS结构、异质结，半导体的光、热、磁和压阻等物理物理与电学特性，为后续课程的学习打好基础。 任务：以半导体的晶体结构和能带理论、载流子的输运理论为基础，系统掌握金属半导体接触、异质结、半导体表面及MIS结构等的基本概念、基本物理与电学特性，熟悉半导体光、热、磁、压阻等各种物理现象，了解金属-半导体接触、MIS结构、异质结的应用及其当前的技术发展。 二、本课程与其它课程的联系和分工 本课程的先修课程是固体物理、半导体物理。 三、课程内容及基本要求 (一) 金属和半导体的接触 ( 8学时) 具体内容：金属半导体接触及其能级图，金属半导体接触整流理论，少数载流子的注入和欧姆接触。 1.基本要求 （1）掌握金属半导体接触所形成的能级图。 （2）掌握金属半导体接触整流理论。 （3）熟悉少数载流子的注入和欧姆接触。 2.重点、难点 重点：掌握金属半导体接触所形成的能级图。 难点：金属半导体接触整流特性。 3.说明：金属半导体接触在半导体器件和集成电路的制作中具有很重要的作用，在超高 频和大功率器件中，欧姆接触是设计和制造中的关键问题之一。

（二）半导体表面与MIS结构（10学时） 具体内容：表面态、表面电场效应，MIS结构的电容-电压特性，硅-二氧化硅系统的性质，表面电导及迁移率，表面电场对p-n结特性的影响。 1.基本要求 （1）熟悉表面态的概念及引起表面态的原因。 （2）掌握理想MIS结构在各种外加电压下的表面势和空间电荷分布。 （3）掌握MIS结构的电容-电压特性。 （4）掌握硅-二氧化硅系统的性质。 （5）了解表面电导及迁移率以及表面电场对p-n结特性的影响。 2.重点、难点 重点：了解半导体表面状态，表面电场效应及MIS的电容-电压特性。 难点：半导体表面势与表面状态。 3.说明：研究半导体表面现象对于改善器件性能、提高器件稳定性，以及指导人们探索 新型器件等有着十分重要的意义。 （三）异质结（ 8学时） 具体内容：异质结及其能带图，异质结的电流输运机构，异质结在器件中的应用，半导体超晶格。 1.基本要求 （1）熟练掌握异质结的定义、特征和类型。 （2）掌握异质结的能带结构和电流输运机构。 （3）了解异质结在器件中的应用。 （4）了解超晶格的基本概念。 2.重点、难点 重点：异质结的能带图，电流输运机构。 难点：异质结的能带结构，异质结的电流输运机构 3.说明：异质结器件具有高速/高性能优势，是新型的、有发展前途的半导体器件。（四）半导体的光学性质和光电与发光现象（ 10学时） 具体内容：半导体的光学常数，半导体的光吸收，半导体的光电导，半导体的光生伏特效应，半导体发光，半导体激光。 1.基本要求 （1）掌握半导体的光吸收、光电导、光生伏特效应、半导体发光等物理概念。 （2）掌握半导体的吸收、光电导、光生伏特效应和发光等效应。 （3）了解半导体激光的基本原理和物理过程。 2.重点、难点 重点：掌握半导体的光电特性。 难点：半导体的光生伏特效应、半导体发光。 3.说明：半导体的官学特性是半导体光电子器件的基础。 （五）半导体的热电性质（4学时） 具体内容：热电效应的一般描述，半导体的温差电动势率，半导体的珀耳帖效应，半导体的汤姆孙效应及半导体的热导率。 1.基本要求 （1）熟悉赛贝克效应、珀耳帖效应和汤姆孙效应的一般描述。 （2）掌握产生赛贝克效应、珀耳帖效应和汤姆孙效应的机理。

整机产品加速贮存寿命试验研究思路探讨

加速贮存试验工作已开展了几十年。迄今为止，国内外对元器件、原材料的加速贮存寿命试验已经有了一些研究成果及应用信息，对电容器、二极管、微电路、运算放大器、印制电路板、半导体器件、晶体管等元器件的加速试验给出了激活能，但对于整机的加速贮存寿命试验情况却很少报道。许多人认为整机包含着多种元器件和材料，导致组件贮存失效的因素或机理比较复杂，无法满足加速寿命试验的单失效机理要求，如果任选一种加速应力去做试验，其结果难以反映实际情况。因此，影响了加速试验在整机的研究与应用。 俄罗斯（前苏联）在“加速贮存试验”和“加速运输试验”等技术的应用方面取得了卓著成效，是目前整机产品加速贮存寿命试验技术最成熟的国家。他们可以对设备、分系统和系统进行加速贮存寿命试验，保证导弹在１０年的贮存期内，无需维修而能满足规定的开箱合格率和发射成功率要求，使导弹这样的复杂系统实现了“单元弹药”或一般机电产品所具有的非常高的贮存可靠性指标。 本文结合国内外的一些文献，探讨开展整机产品加速贮存寿命试验的３种思路。 １ 转化法 对于整机产品，要建立起产品在高应力下与正常使用条件下的失效率之间的关系模型很困难，也很难［收稿日期］　２００６－０４－０９确定不改变设备的失效机理的应力条件。而元器件和零部件级的失效模式比整机少，特别是元器件，因其失效模式和机理一般是单一的，所以要确定能有效地加速失效而又不大改变失效机理的应力就容易得多。目前国内外成功的例子主要集中在元器件方面，有许多可借鉴的资源。 根据木桶原理，任何一种产品的寿命都取决于该产品中易失效件的寿命，无论产品的其他关键件、重要件或性能设计怎样优越，一旦影响产品性能的任何一个零部件或元器件发生失效，该产品的寿命即告终结，因此产品贮存寿命取决于它的薄弱环节中易失效件的可靠贮存寿命。那么，找出薄弱环节后，整机产品的加速贮存寿命试验就转化为零部件或元器件的加速贮存寿命试验。 转化法最关键的是对产品薄弱环节的分析。有关资料表明，目前确定产品长期贮存可靠性薄弱环节的方法通常有以下５种：相似产品法、使用信息中统计分析法、排列图法、故障树分析法和故障模式影响及其危害性分析（ＦＭＥＣＡ）法。 １．１ 相似产品法 对新研制的电容器件，若有贮存历史的相似产品时，可用分析对比的方法确定易失效件，寻找薄弱环节，分析失效原因。 １．２ 使用信息中统计分析法 产品薄弱环节的确定可以从使用信息中统计分析 整机产品加速贮存寿命试验 研究思路探讨 林震１ 李宪姗２ 姜同敏３ 程永生１ 胡斌１ （１．中国工程物理研究院电子工程研究所，四川　绵阳 ６２１９００；２．北京强度与环境研究所，北京 １０００７６；３．　北京航空航天大学，北京 １０００８３） ［摘要］ 介绍了整机产品加速贮存寿命试验技术的三种方法：转化法、性能参数退化法、利用可靠性增长理论并逐一分析研究。 ［关键词］ 加速；薄弱环节；性能退化；可靠性增长 ［中图分类号］ ＴＢ１１４．３；Ｎ９４５．１７ ［文献标识码］　Ｃ ［文章编号］ １００３－６６６０（２００６）０４－００３８－０４

半导体器件物理与工艺

?平时成绩30% + 考试成绩70% ?名词解释（2x5=10）+ 简答与画图（8x10=80）+ 计算（1x10=10） 名词解释 p型和n型半导体 漂移和扩散 简并半导体 异质结 量子隧穿 耗尽区 阈值电压 CMOS 欧姆接触 肖特基势垒接触 简答与画图 1.从能带的角度分析金属、半导体和绝缘体之间的区别。 2.分析pn结电流及耗尽区宽度与偏压的关系。 3.什么是pn结的整流（单向导电）特性？画出理想pn结电流-电压曲线示意图。 4.BJT各区的结构有何特点？为什么？ 5.BJT有哪几种工作模式，各模式的偏置情况怎样？ 6.画出p-n-p BJT工作在放大模式下的空穴电流分布。 7.MOS二极管的金属偏压对半导体的影响有哪些？ 8.MOSFET中的沟道是多子积累、弱反型还是强反型？强反型的判据是什么？ 9.当VG大于VT且保持不变时，画出MOSFET的I-V曲线，并画出在线性区、非线 性区和饱和区时的沟道形状。 10.MOSFET的阈值电压与哪些因素有关？ 11.半导体存储器的详细分类是怎样的？日常使用的U盘属于哪种类型的存储器，画出 其基本单元的结构示意图，并简要说明其工作原理。 12.画出不同偏压下，金属与n型半导体接触的能带图。 13.金属与半导体可以形成哪两种类型的接触？MESFET中的三个金属-半导体接触分 别是哪种类型？ 14.对于一耗尽型MESFET，画出VG=0, -0.5, -1V（均大于阈值电压）时的I-V曲线示 意图。 15.画出隧道二极管的I-V曲线，并画出电流为谷值时对应的能带图。 16.两能级间的基本跃迁过程有哪些，发光二极管及激光器的主要跃迁机制分别是哪 种？ 计算 Pn结的内建电势及耗尽区宽度

半导体器件物理习题答案

1、简要的回答并说明理由：①p+-n结的势垒宽度主要决定于n型一边、还是p型一边的掺杂浓度？②p+-n结的势垒宽度与温度的关系怎样？③p+-n结的势垒宽度与外加电压的关系怎样？④Schottky势垒的宽度与半导体掺杂浓度和温度分别有关吗？ 【解答】①p+-n结是单边突变结，其势垒厚度主要是在n型半导体一边，所以p+-n结的势垒宽度主要决定于n型一边的掺杂浓度；而与p型一边的掺杂浓度关系不大。因为势垒区中的空间电荷主要是电离杂质中心所提供的电荷（耗尽层近似），则掺杂浓度越大，空间电荷的密度就越大，所以势垒厚度就越薄。②因为在掺杂浓度一定时，势垒宽度与势垒高度成正比，而势垒高度随着温度的升高是降低的，所以p+-n结的势垒宽度将随着温度的升高而减薄；当温度升高到本征激发起作用时，p-n结即不复存在，则势垒高度和势垒宽度就都将变为0。③外加正向电压时，势垒区中的电场减弱，则势垒高度降低，相应地势垒宽度也减薄；外加反向电压时，势垒区中的电场增强，则势垒高度升高，相应地势垒宽度也增大。 ④Schottky势垒区主要是在半导体一边，所以其势垒宽度与半导体掺杂浓度和温度都有关（掺杂浓度越大，势垒宽度越小；温度越高，势垒宽度也越小）。 2、简要的回答并说明理由：①p-n结的势垒高度与掺杂浓度的关系怎样？②p-n结的势垒高度与温度的关系怎样？③p-n结的势垒高度与外加电压的关系怎样？ 【解答】①因为平衡时p-n结势垒（内建电场区）是起着阻挡多数载流子往对方扩散的作用，势垒高度就反映了这种阻挡作用的强弱，即势垒高度表征着内建电场的大小；当掺杂浓度提高时，多数载流子浓度增大，则往对方扩散的作用增强，从而为了达到平衡，就需要更强的内建电场、即需要更高的势垒，所以势垒高度随着掺杂浓度的提高而升高（从Fermi 能级的概念出发也可说明这种关系：因为平衡时p-n结的势垒高度等于两边半导体的Fermi 能级的差，当掺杂浓度提高时，则Fermi能级更加靠近能带极值[n型半导体的更靠近导带底，p型半导体的更靠近价带顶]，使得两边Fermi能级的差变得更大，所以势垒高度增大）。 ②因为温度升高时，半导体的Fermi能级将远离能带极值，所以p-n结两边半导体的Fermi 能级的差变小，所以势垒高度将随着温度的升高而降低。③当p-n结上加有正向电压时，即使势垒区中的总电场减弱，则势垒高度降低；当加有反向电压时，即使势垒区中的总电场增强，则势垒高度增大。 3、简要的回答并说明理由：①p-n结的势垒电容与电压和频率分别有何关系？②p-n结的扩散电容与电压和频率分别有何关系？ 【解答】①p-n结的势垒电容是势垒区中空间电荷随电压而变化所引起的一种效应（微分电容），相当于平板电容。反向偏压越大，势垒厚度就越大，则势垒电容越小。加有正向偏压时，则势垒厚度减薄，势垒电容增大，但由于这时正偏p-n结存在有导电现象，不便确定势垒电容，不过一般可认为正偏时p-n结的势垒电容等于0偏时势垒电容的4倍。p-n结的势垒电容与频率无关：因为势垒电容在本质上是多数载流子数量的变化所引起的，而多数载流子数量的变化是非常快速的过程，所以即使在高频信号下势垒电容也存在，因此不管是高频还是低频工作时，势垒电容都将起着重要的作用。②p-n结的扩散电容是两边扩散区中少数载流子电荷随电压而变化所引起的一种微分电容效应，因此扩散电容是伴随着少数载流子数量变化的一种特性。正向电压越高，注入到扩散区中的少数载流子越多，则扩散电容越大，因此扩散电容与正向电压有指数函数关系。又，由于少数载流子数量的变化需要一定的时间t（产生寿命或者复合寿命的时间），当电压信号频率f较高（ω≡2πf > 1/t）时，少数载流子数量的增、减就跟不上，则就呈现不出电容效应，所以扩散电容只有在低频下才起作用。 4、对于实际的Si/p-n结：①正向电流和反向电流分别主要包含哪些不同性质的电流分量？②正向电流与温度和掺杂浓度的关系分别怎样？③反向电流与温度和掺杂浓度的关系 分别怎样？④正向电压与温度和掺杂浓度的关系分别怎样？ 【解答】①对于实际的Si/p-n结，正向电流主要包括有少数载流子在两边扩散区中的扩