Power-Semiconductor-Devices-and-Smart-Power-ICs

PowerSemiconductorDevicesandSmartPowerICsByYardeni05/2015Page1AnswersofQuestionsChapter11-1.Pleaseclassifythepowersemiconductordiscretedevices.A:powerrectifiersandpowerswitches.功率整流器和功率开关1-2.Pleaselistthenameofpopularpowerswitch.A:powerMOSFET,powerBJT,IGBT,etc.功率MOS管，功率BJT管，IGBT等1-3.Definetheidealpowersemiconductordevice.A:ItmustbeabletocontroltheflowofpowertoloadswithZEROpowerdissipation.零功耗（包括导通损耗，关断损耗，开关损耗，均为零）1-4.Drawingouttheswitchingwaveformofidealpowerswitch.A:1-5.Listthedevicenameyouknownthathasthenormally-offperformance.A:Normally-off:BJT,EnhancementMOSFET,VDMOS,TrenchMOS,IGBT,Normally-on:JFET,DepletionMOSFET.1-6.Whichispreferablefornormalsystem,normally-ondeviceornormally-off?Givethereason.A:Fornormalsystem,normally-offdeviceispreferableasithasthepowerdissipationlowerthannormally-ondevice’s.常关器件更好。因为开通功耗（有电流）大于关断功耗（近似无电流），所以常关器件比常开器件具有更低功耗。1-7.Listtheinternationalsemiconductorcompanynameyouknowthatproductsthepowersemiconductordevices.PowerSemiconductorDevicesandSmartPowerICsByYardeni05/2015Page2A:TI,Onsemi,Freescale,Fairchild,ST,Infineon,NXP,Vishay,ADI,Maxim,ROHM1-8.Listthespecialpointsofpowersemiconductordevicescomparingwiththedigitalsemiconductordevices.A:highervoltageandlargercurrent,bigger/specialprocesstechnology,longerlifecycle.功率器件通常应用在高压、大电流环境，大线宽、特殊工艺，生命周期长。数字器件通常应用在低压、小电流环境，小线宽、标准工艺，生命周期短。Chapter22-1.whatismeantbyimpactionizationcoefficientofhole(electron)?耗尽区内，一个空穴（电子）在电场作用下，通过1cm的长度上产生的电子-空穴对的数目，定义为空穴（电子）的碰撞电离系数p(n)。2-2.whatisaplanejunction?平行平面结是一维二极管，理想PN结，具有一维性质的电场。2-3.definethepunch-throughdiodestructure.PiN二极管，反向耐压最大时i区全耗尽，称为穿通型二极管结构。2-4.whydoestheimpactionizationcoefficientincreasewiththeincreasingoftheelectricfieldanditdecreasewiththeincreasingoftemperature？碰撞电离系数是电场的强函数p(n)∝E7，电场增加碰撞电离系数增大；随着温度升高，晶格振动加剧，载流子更容易与晶格碰撞失去能量，产生的电子-空穴数目减少，所以温度升高碰撞电离系数减小。2-5.10dxdx一个电子（空穴）在耗尽区内与晶格原子发生碰撞，产生一个电子-空穴对，器件即发生雪崩击穿，2-6.Whichstructurehasthelargestbreakdownvoltageunderthesamejunctiondepth:planejunction,cylindricaljunctionandsphericaljunction?Why？平行平面结具有最大BV。圆柱结（二维场）和球面结（三维场）因为曲率的存在，电场集中，更易击穿。PowerSemiconductorDevicesandSmartPowerICsByYardeni05/2015Page3E（圆柱）=√Ex2+Ey2E（球面）=√Ex2+Ey2+Ez22-7.Explaintheeffectoftheoxidechargeronthebreakdownvoltageinthefieldplatedesign.氧化层电荷是正电荷，浓度在1010～1012/cm2。由于额外正电荷的引入，对N+P结，耗尽层边缘会展宽，器件的BV增加；相对P+N结则产生负作用，耗尽层缩小，器件BV降低。Chapter33-1.Definethehigh-levelinjection所谓大注入，即注入半导体中的非平衡少子浓度接近或者超过平衡时多子的浓度。3-2.DefinetheconductivitymodulationPiN二极管，正向导通时，对i区，P+注入大量空穴，N+注入大量电子，电子-空穴对浓度可以从1014上升到1018，电导率急速上升，这叫电导调制效应。其可使PiN二极管承担小压降，大电流。3-3/4.DrawingoutthestructureofJBS/MPSanddescribingitsoperationmechanism.图见page97/98，（注意JBS漂移区比MPS要薄）JBS，采用肖特基势垒低的金属与半导体结合；正向时，PN结不导通，只有电子参与导电，开关速度快；反向时，PN结耗尽区随电压升高展宽，最终连成一体，隔离肖特基势垒，其耐压由PN结来承受，泄漏电流小，由于漂移区比MPS薄，BV比MPS低。MPS，正向电压0.5V时，PN结不导通，工作类似于肖特基二极管。正向电压0.6V时，PN结导通，空穴注入漂移区，产生电导调制效应，压降小电流大，由于电子空穴都参与导电，开关速度低于JBS；反向耐压机制与JBS一样，但由于漂移区更厚，BV较JBS高。3-5.WhatistheovershootofthepowerPiNrectifiers对PiN管，开启时如果电流变化过快（di/dt较大），其正向压降开始时会超过在稳态时传输相同电流的压降，此现象叫功率PiN管的电压过冲。因为此时i区没有完全被电导调制，电阻还很大，则产生较大压降。PowerSemiconductorDevicesandSmartPowerICsByYardeni05/2015Page43-6.ExplainwhytheSiSchottkydiodecannotoperateathigh-voltagecondition?硅基肖特基二极管是多子器件，无空穴参与导电，反向时N-承担耐压；无电导调制效应，正向导通时N-区电阻很大；根据Ron.sp∝BV2～2.5，电压升高导通电阻（导通损耗）急剧上升。所以SBD一般应用600V。3-7.whichstructurehasthehigherleakagecurrent,SchottkydiodeorPiNdiode?Why?肖特基二极管泄漏电流更大。PiN泄漏电流由2部分组成，空间电荷区的产生电流，中性区P+和N+少子的扩散电流。SBD泄漏电流除了同PiN的相似的2部分，还有金半接触带来的热电子发射电流，并且后者比前2者大得多。Chapter44-1.Whatisthemeantbyreachthroughbreakdown(orpunchthroughbreakdown)?随着BC结反偏电压增加，BC结耗尽层展宽并接触到BE结耗尽层的时候，BE结势垒变低，发射极电子可以越过更低的一个势垒，被反偏BC结电场抽走，此现象叫穿通击穿。4-2.WhatisthemeantbyBVCBOandBVCEO?BVCBO，开发射极击穿电压；发射极开路，集电极与基极之间的击穿电压。BVCEO，开基极击穿电压；基极开路，集电极与发射极之间的击穿电压。4-3.Thecollectorefficiencyunderwhatconditionismuchlargerthanunit?当CB结的偏置电压可以和雪崩击穿电压相比拟的时候，集电极效率远大于1.4-4.WhydoesthepowerBJTcanoperateathigh-levelcurrentwhenitlocatesatitssaturationregion?BJT在饱和区的时候VBE0，VBC0，VCE很小；BC结正偏，相当于PN-N+二极管工作在正偏情况下，发生大注入现象（电导调制效应），电阻降低，所以在饱和区可以传导大电流。PowerSemiconductorDevicesandSmartPowerICsByYardeni05/2015Page54-5.whatshouldbecarefullyconsideredwhenyoudesignthebaseofthepowerBJT?1，掺杂不能太淡或者基区不能太薄，否则容易发生穿通击穿2，掺杂很高或者基区很厚，增益太低，需要更大控制电流IB所以需要一个折中。4-6.whyICEOICBO?ICBO是二极管泄漏电流，ICEO会被BJT放大，有公式ICEO=(1+ß)ICBO,所以ICEOICBO。4-7.explainthereasonofthehighvoltageBJTusuallyhaslowcurrentgain.高压BJT的基区掺杂浓度比较高，厚度比较厚，防止穿通击穿，所以增益低。4-8.explainthereasonthatthehighvoltageBJTusuallyhaslongcollectiondriftregion.因为集电极承担高压，所以高压BJT设计一个长的轻掺杂的集电漂移区来阻断高压。Chapter55-1.Whatismeantbythyristor?晶闸管是一个四层三结PNPN结构，有三极（阳极，阴极和门极），脉冲触发器件；具有开态低阻抗高导通电流，关态高阻抗低泄漏电流特性；应用于高电压（可至12kV），大电流（可至8kA）环境。5-2.Whatismeantbyholdingcurrentofthethyristor?晶闸管维持电流（阳极到阴极），大于则导通，小于则阻断。5-3.WhatismeantbydV/dtratingofthethyristor?晶闸管正常工作要求dV/dt有一个范围，如果阳极电压变化过快，dV/dt超出这个范围，即使没有门极触发电流，也有可能通过位移电流[Jc=CJ（dV/dt）]使晶闸管误开启。Jc--位移电流，CJ--PN结势垒电容。PowerSemiconductorDevicesandSmartPowerICsByYardeni05/2015Page65-4.Whatisturn-onconditionandturn-offconditionforthethyristor?αnpn+αpnp≥1，导通αnpn+αpnp1，阻断Chapter66-1.whatismeantbytheon-resistanceandspecificon-resistanceofthepowe