Основы силовой электроники. Силовые полупроводниковые приборы

УДК 621.382(075.8)
ББК 32.852
О-75

Авторы:
А. А. Богомяков, Н. А. Голов, Ю. А. Евсеев, Ф. И. Ковалев,
Л. П. Кубарев, М. Ю. Поташников, В. А. Усачев

Рецензенты:
кафедра «Электротехника, электроника и электроснабжение РК»
Военной академии Ракетных войск стратегического назначения
им. Петра Великого
(начальник кафедры канд. техн. наук, доц. А. Ю. Злобин);
Засл. деятель науки РФ, д-р техн. наук, проф. Г. Б. Онищенко

О-75
Основы силовой электроники. Силовые полупроводниковые приборы : учеб. пособие / [А. А. Богомяков и др.]; под ред.
Ф. И. Ковалева, В. А. Усачева. –– М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012. –– 247, [1] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-3441-1

Изложены физические основы работы полупроводниковых приборов
силовой электроники, их конструктивные особенности, характеристики
и специфика применения. Подробно рассмотрены электрические параметры и варианты конструкций силовых диодов, биполярных и полевых транзисторов, силовых интегральных схем. Даны основы базовых технологических процессов производства полупроводниковых приборов силовой
электроники и приведены применяемые в них материалы.
Содержание учебного пособия соответствует курсам лекций, которые
авторы читают в МГТУ им. Н. Э. Баумана.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки специалистов 210600 «Радиоэлектронные системы и комплексы». Будет полезно аспирантам и инженерам, специализирующимся
в данной области.

УДК 621.382(075.8)
ББК 32.852

ISBN 978-5-7038-3441-1
c⃝ Оформление. Издательство
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современная силовая электроника как область науки и техники охватывает электронные приборы, преобразователи параметров
электрической энергии, комплексные электротехнические и электромеханические системы, обеспечивающие потребителей электроэнергией с требуемыми параметрами. Основой всего являются электронные приборы, определяющие состояние силовой электроники
и ее эффективность.
В зависимости от рабочей среды электронные приборы подразделяют на вакуумные, газоразрядные и твердотельные (полупроводниковые). Основными элементами силовой электроники являются
полупроводниковые приборы.
Полупроводниковые приборы, применяемые в силовой электронике, используются в качестве электрических ключей, т. е. работают
в ключевых режимах. Традиционно устройства, обеспечивающие
переключение электрических цепей, классифицируют как электрические вентили. Этот термин широко используется в пособии, что
подчеркивает специфику применения полупроводниковых приборов в силовой электронике. Электронный вентиль характеризуется
током значительной величины в проводящем направлении (при малом падении напряжения) и большой величиной напряжения, когда
вентиль не проводит рабочий ток (заперт). В запертом режиме ток
(ток утечки) во много раз меньше рабочего тока.
Полупроводниковые приборы, используемые в силовой электронике, характеризуются большой площадью полупроводниковой
структуры, что определило подход к анализу процессов в этих приборах.
Учебное пособие посвящено полупроводниковым приборам:
диодам, тиристорам, транзисторам и силовым интегральным схемам. Цель книги –– ознакомление читателей с принципом действия,
основными физическими процессами, происходящими в силовых
полупроводниковых приборах, основными характеристиками и особенностями конструкции. Материал пособия рассчитан на читателей, знакомых с основами физики и электротехники: студентов старших курсов, специализирующихся в области электронных
устройств и аппаратов, инженерно-технических работников, связанных с применением и эксплуатацией электронной техники, а также
специалистов смежных с силовой электроникой отраслей науки

Предисловие

и техники, интересующихся полупроводниковыми вентильными
приборами.
Учебное пособие состоит из восьми глав и приложения. В нем
приведены основные типы полупроводниковых приборов, нашедших широкое промышленное применение в современных устройствах силового
электронного
и электротехнического
оборудования.
Глава 1 посвящена физике полупроводниковых приборов. Рассмотрены свойства веществ, электропроводимость которых занимает промежуточное положение между проводниками и изоляторами.
Более подробно характеристики полупроводников проанализированы в восьмой главе. Все полупроводниковые приборы делятся
на приборы с биполярной и униполярной проводимостью. Основой
первых является электронно-дырочный p–n-переход, подробно рассматриваемый в первой главе. Изложены основы физики приборов
с униполярной проводимостью, которые необходимы для объяснения принципа действия полевых приборов в следующих главах.
В главе 2 рассмотрены неуправляемые приборы –– диоды. Описан принцип действия, характеристики диодов, конструкции приборов и охладителей, а также особенности последовательного и параллельного
соединения
диодов.
Дана
классификация
диодов
и краткие рекомендации по их выбору.
Глава 3 посвящена управляемым приборам –– тиристорам. Приведено описание принципа действия тиристора, его характеристик,
в том числе и тепловых, обеспечения последовательного и параллельного соединения приборов и их защиты в электрических цепях, примеры конструктивного исполнения тиристоров. Рассмотрены различные типы и модификации, в том числе запираемые
тиристоры.
В главах 4–6 рассмотрены полностью управляемые полупроводниковые приборы –– транзисторы: биполярные, полевые, биполярные с изолированным затвором. Приведены структуры транзисторов, их вольт-амперные характеристики, физика работы приборов,
предельные характеристики и области безопасной работы. Рассмотрены тенденции и перспективы развития полупроводниковых приборов для устройств силовой электроники.
В настоящее время широкое применение нашли силовые интегральные схемы (СИС): монолитные (однокристальные) и гибридные, представляющие собой конструктивно законченные изделия электронной техники, содержащие совокупность гальванически
связанных между собой элементов электрической схемы.

Предисловие
5

Электрические характеристики СИС определяются приборами,
составляющими их основу (диодами, тиристорами, транзисторами),
поэтому рассмотрены только их некоторые конструктивные особенности и, главным образом, электрические схемы. В зависимости
от их интеграции такие устройства представляют собой активную
часть силового преобразователя, а в некоторых случаях с элементами управления и защиты. Последние получили название интеллектуальных силовых интегральных схем.
В главе 7 приведено описание СИС, в том числе и силовых гибридных модулей.
Глава 8 посвящена полупроводниковым материалам, которые
могут найти применение для создания приборов силовой электроники; некоторые из этих материалов –– альтернатива кремнию,
широко используемому для изготовления полупроводниковых приборов.
Устройства на базе новых материалов с большей, чем у кремния, шириной запрещенной зоны имеют определенные перспективы
применения в ближайшем будущем.
Аннотация, введение, предисловие и гл. 7 написаны доктором
технических наук, профессором Ф. И. Ковалевым; гл. 1 –– доктором
технических наук, профессором Ю. А. Евсеевым и кандидатом технических наук Л. П. Кубаревым; гл. 2 и 3 –– кандидатом технических
наук и М. Ю. Поташниковым; гл. 4, 5 и 6 –– кандидатом технических наук А. А. Богомяковым; гл. 8 –– кандидатом технических наук
В. А. Усачевым и Н. А. Головым; Приложение –– кандидатом технических наук В. А. Усачевым.
Авторы выражают благодарность кандидату технических наук
А. В. Лучину, оказавшему большую помощь при подготовке рукописи к печати, доктору технических наук, профессору С. А. Харитонову за пожелания и советы, данные при подготовке материала.

ВВЕДЕНИЕ

Электроника (Electronics) как наука о взаимодействии заряженных частиц с электромагнитными полями в настоящее время имеет
два основных научно-технических направления –– информационная
электроника и силовая электроника.
Информационная электроника (Information Electronics) –– научно-техническое направление, связанное с созданием информации
в виде электрических сигналов, обработкой, передачей, хранением
и использованием этой информации. Информационная электроника
является основой электронной техники, занимающейся разработкой
и производством приборов и устройств для систем генерирования,
обработки, передачи и использования информационных сигналов.
Средства электронной техники способствовали внедрению компьютерных технологий во все сферы человеческой деятельности: промышленность, энергетику, связь, транспорт, быт, инициировав возникновение и развитие постиндустриального общества.
Силовая электроника (Power Electronics) –– область электроники, занимающаяся преобразованием параметров электрической
энергии.
Термин «силовая электроника» (СЭ) появился в начале 70-х годов XX в. Ранее эта область науки и техники включалась в промышленную электронику (Industrial Electronics).
Как научно-техническое направление СЭ охватывает методы
и средства управления потоками электрической энергии с помощью
электронных приборов. Это широкая межотраслевая дисциплина, включающая в себя электронные приборы, преобразователи
параметров (тока, напряжения, частоты) электрической энергии
(выпрямители, инверторы, преобразователи частоты, регуляторы
постоянного и переменного тока), коммутаторы электрических цепей, сложные электротехнические и электромеханические системы
(системы бесперебойного питания, электроприводы и т. д.).
По образному выражению, СЭ является мускулами XXI в., дополняя информационную электронику –– интеллект XXI в. В их
основе –– электронный прибор (Electronic Valve Device) для электронного силового преобразования или прерывания тока, содержащий один неуправляемый или управляемый ключевым способом полупроводниковый вентиль и проводящий однонаправленный ток.

Введение
7

Уже во второй половине XX в. в качестве электронных вентилей использовали главным образом полупроводниковые приборы
на основе кремния (диоды, тиристоры, транзисторы, интегральные
схемы), занимающие доминирующее положение в СЭ. Силовые полупроводниковые приборы определяют состояние и уровень развития СЭ как современной перспективной технологии.

Гл ава 1
ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

По отношению к воздействию электрического поля все существующие в природе вещества характеризуются процессами направленного перемещения электрических зарядов (электропроводность) и перераспределения их друг относительно друга (поляризация). В зависимости от того, какой из этих двух процессов преобладает, принято
подразделять вещества на диэлектрики (изоляторы) и проводники (металлы), различающиеся удельной электропроводностью.
Существует и широкий класс веществ-полупроводников, у которых значения удельной электропроводности при комнатной температуре являются промежуточными между удельной электрической
проводимостью металлов ( ∼ 10−6...104 Ом−1 · см−1) и диэлектриков
( ∼ 10−10...10−12 Ом−1 · см−1).
Имея сходное с диэлектриками распределение электронов по уровням энергии, полупроводники отличаются от них более узкой запрещенной зоной (менее 2...3 эВ). С повышением температуры полупроводника часть электронов становится свободными носителями тока,
что приводит к заметному росту удельной электропроводности.
Характерной особенностью полупроводников, отличающей их
от металлов, является высокая чувствительность электропроводности
к внешним воздействиям (сильное электрическое поле, свет, поток
быстрых частиц и др.), а также к содержанию примесей и дефектов
в кристаллах.
Возможность в широких пределах управлять электропроводностью полупроводников путем введения в их структуру дополнительных примесей и приложения электрических полей к специальным
кристаллическим структурам является основой их многочисленных
и многообразных применений, включая создание полупроводниковых
приборов.

1.1. Полупроводники

Полупроводниковые материалы. К полупроводниковым материалам относятся германий (Ge), кремний (Si), алмаз (C), а также
соединения: арсенид галлия (GaAs), карбид кремния (SiC), нитриды
галлия (GaN, GaInN) и другие материалы.
В настоящее время основным материалом, который используется для создания полупроводниковых приборов силовой электрони

1.1. Полупроводники
9

ки, является кремний. В последние годы уделяется большое внимание созданию силовых приборов на основе широкозонных полупроводниковых материалов таких как карбид кремния, нитрид галлия
и др.
Концентрация свободных носителей заряда в полупроводниках. Идеальный полупроводниковый кремний является кристаллом с регулярной структурой атомов. Особенность тетраэдрической
кристаллической решетки кремния заключается в том, что каждый
атом в ней равно удален от четырех соседних атомов. Связь атомов в рассматриваемой решетке является ковалентной, т. е. устанавливается в результате попарного объединения четырех валентных
электронов атома четырьмя электронами от каждого из соседних
атомов.
При температурах выше абсолютного нуля некоторые из этих
связей разрываются под действием энергии тепловых колебаний
атомов в кристаллической решетке (фотонов), которая передается валентным электронам. В результате этого процесса (тепловой
ионизации или термогенерации) в идеальном (собственном) полупроводнике образуется равное количество свободных электронов
и свободных мест –– так называемых дырок –– у тех атомов, от которых оторвались электроны.
Дырка –– квазичастица, представляющая собой незаполненное
электронное состояние (вакансию) в валентной зоне полупроводника, которой приписывается положительный заряд, равный заряду
электрона.
Через некоторое время свободный электрон может быть захва
Рис.
1.1.
Схема
образования
и перемещения свободных носителей заряда в кремнии

чен другим положительно заряженным атомом кремния. Этот процесс
называется рекомбинацией и его
можно представить как перемещение дырки по кристаллу.
Процессы
образования
и
перемещения свободных
носителей
заряда в кремнии схематично представлены на рис. 1.1, а зонная
структура при комнатной температуре –– на рис. 1.2.
В результате процессов термогенерации и рекомбинации в собственном полупроводнике устанавливается
равновесная
концентра

Глава 1. Физика полупроводниковых приборов

Рис. 1.2. Схематическое представление зонной структуры
кремния

ция (ni) свободных носителей заряда (электронов и дырок), которая
определяется выражением

n2
i = CT 3 exp
qEg

kT

,
(1.1)

где C –– константа, определяемая свойствами полупроводникового
материала; T –– температура, K; q –– заряд электрона; Eg –– ширина запрещенной зоны полупроводника (для кремния Eg = 1,12 эВ);
k –– постоянная Больцмана.
При комнатной температуре (T = 293 K) для кремния ni ≈
≈ 1,4 · 1010 см−3.
Равновесная концентрация свободных носителей заряда в реальном полупроводниковом материале может изменяться очень сильно
(на много порядков относительно ni). Это обусловлено тем, что
фактически кристаллическая решетка полупроводника имеет множество нарушений пространственной структуры, связанных с наличием примесных атомов других веществ, микротрещин, пустых
узлов решетки и т. д. Наиболее существенное влияние на электрические свойства полупроводников оказывают примеси атомов других
веществ.
При создании полупроводниковых приборов наибольший интерес в качестве примеси для кремния представляют элементы III
и V групп периодической системы элементов. При введении таких
примесей в полупроводник образуется твердый раствор замещения,
т. е. атомы примесей замещают в узлах кристаллической решетки
атомы кремния. Если атомы примеси 5-валентны (P, As, Sb), то результатом такого замещения является наличие одного избыточного