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授课教师
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陆冰

德州仪器系统工程师德州仪器技术委员会资深委员（SMTS）

陆冰博士于2006年从弗吉尼亚理工及州立大学获得博士学位并加入德州仪器，专注于AC/DC及隔离DC/DC控制芯片的研发及技术支持。参与并领导了各类电源控制芯片的研发，包括PFC，LLC，同步整流，反激电路，全桥及半桥控制芯片。现为高电压控制器系统工程师及德州仪器技术委员会资深委员（SMTS）。

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课程介绍

开关电源中的半导体器件

总章节：6
课程时长：58:52

功率半导体器件是开关电源的重要组成部分，它将电能从一种形式变换为另一种形式。这章课程对功率半导体的基本工作原理进行了介绍。通过对二极管，MOSFET，以及同步整流管的工作原理的分析，我们可以掌握开关电源设计中功率半导体器件的选取，损耗的计算，以及驱动电路的设计。另外，这一章课程还介绍了未来将会流行的宽禁带半导体器件，它们的工作原理，以及相对于现有的硅半导体器件的优势。

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陆冰

德州仪器系统工程师德州仪器技术委员会资深委员（SMTS）

陆冰博士于2006年从弗吉尼亚理工及州立大学获得博士学位并加入德州仪器，专注于AC/DC及隔离DC/DC控制芯片的研发及技术支持。参与并领导了各类电源控制芯片的研发，包括PFC，LLC，同步整流，反激电路，全桥及半桥控制芯片。现为高电压控制器系统工程师及德州仪器技术委员会资深委员（SMTS）。

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00:00

近代半导体技术及其应用

1. 功率器件主要由硅材料制成，可以在几K到几MHz的频率范围内工作，功率最大可达几个千瓦。 2. 随着频率的增加，可支持的功率逐渐减小，频率越低可支持的功率越大。 3. 当硅器件使用超级结时，可以进一步提高功率范围和频率范围。 4. 当功率增加时，传统的MOSFET技术不再适用，需要使用IGBT或者GTO。 5. 宽近代半导体技术的发展，使得大功率设计的开关频率提升到100kHz左右，而小功率设计的开关频率可以高达10MHz。

1. 功率器件主要由硅材料制成，可以在几K到几MHz的频率范围内工作，功率最大可达几个千瓦。 2. 随着频率的增加，可支持的功率逐渐减小，频率越低可支持的功率越大。 3. 当硅器件使用超级结时，可以进一步提高功率范围和频率范围。 4. 当功率增加时，传统的MOSFET技术不再适用，需要使用IGBT或者GTO。 5. 宽近代半导体技术的发展，使得大功率设计的开关频率提升到100kHz左右，而小功率设计的开关频率可以高达10MHz。

01:50

禁带和宽禁带概念

禁带是指电子脱离原子、在材料中自由移动所需的最小能量。当电子的能量处于满带时，材料不能导电；需要将电子的能量提高到空带，才能开始导电。不同半导体材料的禁带宽度不同，例如：硅的禁带宽度为1.1eV，碳化硅的禁带宽度为3.3 eV，氮化镓的禁带宽度为3.4 eV。随着禁带宽度的增加，半导体器件能够实现更高的耐压，并减小特征电阻。碳化硅和氮化镓可以在相同的击穿电压下实现更小的导通电阻。

禁带是指电子脱离原子、在材料中自由移动所需的最小能量。当电子的能量处于满带时，材料不能导电；需要将电子的能量提高到空带，才能开始导电。不同半导体材料的禁带宽度不同，例如：硅的禁带宽度为1.1eV，碳化硅的禁带宽度为3.3 eV，氮化镓的禁带宽度为3.4 eV。随着禁带宽度的增加，半导体器件能够实现更高的耐压，并减小特征电阻。碳化硅和氮化镓可以在相同的击穿电压下实现更小的导通电阻。

03:34

氮化镓材料相比硅材料的优势

氮化镓材料对硅材料的主要优势包括：实现更小的门级电容和电荷，开关速度更快，驱动损耗更小；输出电容和电荷更低，适合高频应用，能够减小开关损耗；导通电阻更小，降低导通损耗；没有反向恢复问题，减小开关节点的震荡和EMI噪声。

氮化镓材料对硅材料的主要优势包括：实现更小的门级电容和电荷，开关速度更快，驱动损耗更小；输出电容和电荷更低，适合高频应用，能够减小开关损耗；导通电阻更小，降低导通损耗；没有反向恢复问题，减小开关节点的震荡和EMI噪声。

04:44

氮化镓材料相比硅材料的优势

我们比较了硅材料和氮化镓材料在不同开关频率下的器件损耗。氮化镓材料相比硅材料，可以减小导通损耗并降低开关损耗，从而在相同损耗情况下提供更高的开关频率。通过提高品质因素，氮化镓材料同时实现更小的导通电阻和开关损耗，并提高开关频率。这对于实现更高效率和更高的开关频率非常重要。

我们比较了硅材料和氮化镓材料在不同开关频率下的器件损耗。氮化镓材料相比硅材料，可以减小导通损耗并降低开关损耗，从而在相同损耗情况下提供更高的开关频率。通过提高品质因素，氮化镓材料同时实现更小的导通电阻和开关损耗，并提高开关频率。这对于实现更高效率和更高的开关频率非常重要。

05:24

基本 GaN MOSFET 的结构

GaN MOSFET 是基于氮化镓（GaN）材料的二维电子气。这种二维电子气是一个良好的导体，可以在沟道中产生电流。通过构建不同的门极设计，可以得到耗尽型和增强型的MOSFET。在耗尽型MOSFET中，当门极和源极连接在一起时，二维电子气已经存在，器件处于导通状态。在增强型MOSFET中，当门极和源极短路时，二维电子气不存在，MOSFET处于阻断状态。

GaN MOSFET 是基于氮化镓（GaN）材料的二维电子气。这种二维电子气是一个良好的导体，可以在沟道中产生电流。通过构建不同的门极设计，可以得到耗尽型和增强型的MOSFET。在耗尽型MOSFET中，当门极和源极连接在一起时，二维电子气已经存在，器件处于导通状态。在增强型MOSFET中，当门极和源极短路时，二维电子气不存在，MOSFET处于阻断状态。

07:43

氮化镓MOSFET的导通特性

1. 氮化镓MOSFET的导通特性是增强型和耗尽型两种。 2. 耗尽型氮化镓MOSFET是一个长通器件，当门级电压为0时导通。 3. 为了解决耗尽型氮化镓MOSFET的长通问题，常使用串联结构控制。 4. 氮化镓MOSFET的导通和关断可通过控制门级电压来实现。 5. 氮化镓MOSFET的反向导通特性类似于二极管，但门槛电压比二极管高。

1. 氮化镓MOSFET的导通特性是增强型和耗尽型两种。 2. 耗尽型氮化镓MOSFET是一个长通器件，当门级电压为0时导通。 3. 为了解决耗尽型氮化镓MOSFET的长通问题，常使用串联结构控制。 4. 氮化镓MOSFET的导通和关断可通过控制门级电压来实现。 5. 氮化镓MOSFET的反向导通特性类似于二极管，但门槛电压比二极管高。

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近代半导体技术及其应用

1. 功率器件主要由硅材料制成，可以在几K到几MHz的频率范围内工作，功率最大可达几个千瓦。 2. 随着频率的增加，可支持的功率逐渐减小，频率越低可支持的功率越大。 3. 当硅器件使用超级结时，可以进一步提高功率范围和频率范围。 4. 当功率增加时，传统的MOSFET技术不再适用，需要使用IGBT或者GTO。 5. 宽近代半导体技术的发展，使得大功率设计的开关频率提升到100kHz左右，而小功率设计的开关频率可以高达10MHz。

1. 功率器件主要由硅材料制成，可以在几K到几MHz的频率范围内工作，功率最大可达几个千瓦。 2. 随着频率的增加，可支持的功率逐渐减小，频率越低可支持的功率越大。 3. 当硅器件使用超级结时，可以进一步提高功率范围和频率范围。 4. 当功率增加时，传统的MOSFET技术不再适用，需要使用IGBT或者GTO。 5. 宽近代半导体技术的发展，使得大功率设计的开关频率提升到100kHz左右，而小功率设计的开关频率可以高达10MHz。

01:50

禁带和宽禁带概念

禁带是指电子脱离原子、在材料中自由移动所需的最小能量。当电子的能量处于满带时，材料不能导电；需要将电子的能量提高到空带，才能开始导电。不同半导体材料的禁带宽度不同，例如：硅的禁带宽度为1.1eV，碳化硅的禁带宽度为3.3 eV，氮化镓的禁带宽度为3.4 eV。随着禁带宽度的增加，半导体器件能够实现更高的耐压，并减小特征电阻。碳化硅和氮化镓可以在相同的击穿电压下实现更小的导通电阻。

禁带是指电子脱离原子、在材料中自由移动所需的最小能量。当电子的能量处于满带时，材料不能导电；需要将电子的能量提高到空带，才能开始导电。不同半导体材料的禁带宽度不同，例如：硅的禁带宽度为1.1eV，碳化硅的禁带宽度为3.3 eV，氮化镓的禁带宽度为3.4 eV。随着禁带宽度的增加，半导体器件能够实现更高的耐压，并减小特征电阻。碳化硅和氮化镓可以在相同的击穿电压下实现更小的导通电阻。

03:34

氮化镓材料相比硅材料的优势

氮化镓材料对硅材料的主要优势包括：实现更小的门级电容和电荷，开关速度更快，驱动损耗更小；输出电容和电荷更低，适合高频应用，能够减小开关损耗；导通电阻更小，降低导通损耗；没有反向恢复问题，减小开关节点的震荡和EMI噪声。

氮化镓材料对硅材料的主要优势包括：实现更小的门级电容和电荷，开关速度更快，驱动损耗更小；输出电容和电荷更低，适合高频应用，能够减小开关损耗；导通电阻更小，降低导通损耗；没有反向恢复问题，减小开关节点的震荡和EMI噪声。

04:44

氮化镓材料相比硅材料的优势

我们比较了硅材料和氮化镓材料在不同开关频率下的器件损耗。氮化镓材料相比硅材料，可以减小导通损耗并降低开关损耗，从而在相同损耗情况下提供更高的开关频率。通过提高品质因素，氮化镓材料同时实现更小的导通电阻和开关损耗，并提高开关频率。这对于实现更高效率和更高的开关频率非常重要。

我们比较了硅材料和氮化镓材料在不同开关频率下的器件损耗。氮化镓材料相比硅材料，可以减小导通损耗并降低开关损耗，从而在相同损耗情况下提供更高的开关频率。通过提高品质因素，氮化镓材料同时实现更小的导通电阻和开关损耗，并提高开关频率。这对于实现更高效率和更高的开关频率非常重要。

05:24

基本 GaN MOSFET 的结构

GaN MOSFET 是基于氮化镓（GaN）材料的二维电子气。这种二维电子气是一个良好的导体，可以在沟道中产生电流。通过构建不同的门极设计，可以得到耗尽型和增强型的MOSFET。在耗尽型MOSFET中，当门极和源极连接在一起时，二维电子气已经存在，器件处于导通状态。在增强型MOSFET中，当门极和源极短路时，二维电子气不存在，MOSFET处于阻断状态。

GaN MOSFET 是基于氮化镓（GaN）材料的二维电子气。这种二维电子气是一个良好的导体，可以在沟道中产生电流。通过构建不同的门极设计，可以得到耗尽型和增强型的MOSFET。在耗尽型MOSFET中，当门极和源极连接在一起时，二维电子气已经存在，器件处于导通状态。在增强型MOSFET中，当门极和源极短路时，二维电子气不存在，MOSFET处于阻断状态。

07:43

氮化镓MOSFET的导通特性

1. 氮化镓MOSFET的导通特性是增强型和耗尽型两种。 2. 耗尽型氮化镓MOSFET是一个长通器件，当门级电压为0时导通。 3. 为了解决耗尽型氮化镓MOSFET的长通问题，常使用串联结构控制。 4. 氮化镓MOSFET的导通和关断可通过控制门级电压来实现。 5. 氮化镓MOSFET的反向导通特性类似于二极管，但门槛电压比二极管高。

1. 氮化镓MOSFET的导通特性是增强型和耗尽型两种。 2. 耗尽型氮化镓MOSFET是一个长通器件，当门级电压为0时导通。 3. 为了解决耗尽型氮化镓MOSFET的长通问题，常使用串联结构控制。 4. 氮化镓MOSFET的导通和关断可通过控制门级电压来实现。 5. 氮化镓MOSFET的反向导通特性类似于二极管，但门槛电压比二极管高。

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2023-05-07 13:29:56

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