1958年美國(guó)通用電氣（GE）公司研發(fā)出世界上第一個(gè)工業(yè)用普通晶閘管，標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生。從此半導(dǎo)體功率器件的研制及應(yīng)用得到了飛速發(fā)展。

半導(dǎo)體功率器件根據(jù)功能分，可以分為三類：不可控、半控型、全控型。

不可控功率器件

• 功率整流二極管是以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)的,實(shí)際上是由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。

• 快恢復(fù)二極管采用外延型PiN結(jié)構(gòu)，其反向恢復(fù)時(shí)間短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右）。

• 肖特基二極管是用金屬（Ti、Ni等）代替了PN結(jié)中的P型半導(dǎo)體，為多子器件，具有更低的正向壓降和更好的開關(guān)特性，反向恢復(fù)時(shí)間很短（10~40ns），有利于控制開關(guān)損耗，但耐壓較低一般低于200V，且反向漏電較大對(duì)溫度敏感。

• 符號(hào)及電性特征

半控型功率器件

• 晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，又稱可控硅整流器，以前簡(jiǎn)稱為可控硅；1957年美國(guó)通用電氣公司開發(fā)出世界上第一款晶閘管產(chǎn)品，并于1958年將其商業(yè)化；晶閘管是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，它有三個(gè)極：陽(yáng)極，陰極和控制極；晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過(guò)程可以控制、被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無(wú)觸點(diǎn)電子開關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。

• 符號(hào)、結(jié)構(gòu)及工作原理

  

• 晶閘管承受反向陽(yáng)極電壓時(shí)，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于反向阻斷狀態(tài)。

• 晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導(dǎo)通。這時(shí)晶閘管處于正向?qū)顟B(tài)，這就是晶閘管的閘流特性，即可控特性。

• 晶閘管在導(dǎo)通情況下，只要有一定的正向陽(yáng)極電壓，不論門極電壓如何，晶閘管保持導(dǎo)通，即晶閘管導(dǎo)通后，門極失去作用。門極只起觸發(fā)作用。

• 晶閘管在導(dǎo)通情況下，當(dāng)主回路電壓（或電流）減小到接近于零時(shí)，晶閘管關(guān)斷。或加一反向電壓，并保持一段時(shí)間使其強(qiáng)迫關(guān)斷。

全控型器件

a).功率晶體管(GTR,巨型晶體管)、雙極結(jié)型晶體管(BJT)

      i. 功率晶體管(Giant Transistor--GTR,巨型晶體管)、雙極結(jié)型晶體管(BipolarJunction Transistor--BJT)，這兩類三極管在半導(dǎo)體功率器件是等效的，在20世紀(jì)80年代，在中、小功率范圍內(nèi)取代了晶閘管，但隨著MOSFET、IGBT的發(fā)展，逐漸被替代。

      ii. 一種電流控制的雙極雙結(jié)大功率、高反壓電力電子器件，具有自關(guān)斷能力,產(chǎn)生于上個(gè)世紀(jì)70年代，其額定值已達(dá)1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具備晶體管飽和壓降低、開關(guān)時(shí)間短和安全工作區(qū)寬等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所組成的電路靈活、成熟、開關(guān)損耗小、開關(guān)時(shí)間短，在電源、電機(jī)控制、通用逆變器等中等容量、中等頻率的電路中應(yīng)用廣泛。GTR的缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞。

      iii. 和普通三極管一樣，他有三個(gè)極：發(fā)射極e （Emitter）、基極b (Base)和集電極c (Collector)。

      iv. 結(jié)構(gòu)及工作原理

   以圖中NPN型的三極管為例，當(dāng)基極通入正電流Ib時(shí)，N P結(jié)正偏，基區(qū)就會(huì)流入大量的電子。同時(shí)，該基極電流Ib不僅使發(fā)射極電流增大，而且P基區(qū)的電子在阻斷的基極-集電極結(jié)方向上有很高的載流子濃度梯度，這些電子會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入低摻雜的N-層。如果加一個(gè)電場(chǎng)，這些電子就會(huì)被電場(chǎng)加速流向集電極。即Ib的電流被放大。

b).門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)

   i.GTO（Gate-Turn-Off Thyristor）是門極可關(guān)斷晶閘管的簡(jiǎn)稱，他是晶閘管的一個(gè)衍生器件。但可以通過(guò)門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，他是全控型器件。

   ii.GTO和普通晶閘管一樣，是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部也是引出陽(yáng)極．陰極和門極。但和普通晶閘管不同的是，GTO是一種多元的功率集成器件。雖然外部同樣引出三個(gè)極，但內(nèi)部包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO單元，這些GTO單元的陰極和門極在器件內(nèi)部并聯(lián)，他是為了實(shí)現(xiàn)門極控制關(guān)斷而設(shè)計(jì)的。

   iii.具體結(jié)構(gòu)及工作原理見“晶閘管”章節(jié)。

c).功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)

   i.功率MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），簡(jiǎn)稱功率MOSFET（Power MOSFET）。結(jié)型功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction Transistor——SIT）。其特點(diǎn)是用柵極電壓來(lái)控制漏極電流，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高（最高可達(dá)到1MHz），熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR，但其電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置。

   ii.結(jié)構(gòu)及工作原理

   截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。

   導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓Ugs，柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過(guò)。但柵極的正電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子—電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面,當(dāng)Ugs大于Uth（開啟電壓或閾值電壓）時(shí)，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過(guò)空穴濃度，使P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)消失，漏極和源極導(dǎo)電。

d).絕緣柵雙極晶體管(IGBT)

    i.MOSFET具有開關(guān)速度快，電壓控制的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是導(dǎo)通電壓降稍大，電流、電壓容量不大；雙極型晶體管卻與它的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)互異。因而產(chǎn)生了使它們復(fù)合的思想；控制時(shí)有MOSFET管的特點(diǎn)，導(dǎo)通時(shí)具有雙極型晶體管特點(diǎn)，這就產(chǎn)生IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）管研制的動(dòng)機(jī)，該管稱為絕緣柵雙極晶體管，但因?yàn)橛芯w管的特性，他的工作頻率大大降低。

    ii.N溝道VDMOSFET與GTR組合形成N溝道IGBT（N-IGBT）IGBT比VDMOSFET多一層P 注入?yún)^(qū)，形成了一個(gè)大面積的P N結(jié)。使IGBT導(dǎo)通時(shí)由P 注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流能力。

    iii.結(jié)構(gòu)、符號(hào)及工作原理。

    IGBT的開通和關(guān)斷是由門極電壓來(lái)控制的。當(dāng)門極加正電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導(dǎo)通。因此IMOS為IGBT總電流的主要部分。此時(shí)，空穴P 區(qū)注入到N-區(qū)，從而在N-區(qū)內(nèi)產(chǎn)生高濃度的電子，減小了N-區(qū)的電阻Rd值，使高耐壓的IGBT也具有低的通態(tài)壓降。

當(dāng)門極加負(fù)電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT即被關(guān)斷。由于注入到N-區(qū)的空穴是少子，存在少子存儲(chǔ)現(xiàn)象。N-區(qū)的少子需要時(shí)間復(fù)合消失，因此IGBT的開關(guān)速度比MOSFET慢。

• 通過(guò)本文的介紹，相信大家對(duì)半導(dǎo)體功率器件有個(gè)大概的了解了。最后匯總下半控型和全控型功率器件的特性，見下表。