半導體模塊原理

半導體激光器人通常也叫半導體模塊。

其工作原理是,通過一定的激勵方式,在半導體物質(zhì)的能帶(導帶與價帶)之間,或者半導體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)(受主或施主)能級之間,實現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn),當處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復合時,便產(chǎn)生受激發(fā)射作用.半導體激光器的激勵方式主要有三種,即電注入式,光泵式和高能電子束激勵式.電注入式半導體激光器,一般是由GaAS(砷化鎵),InAS(砷化銦),Insb(銻化銦)等材料制成的半導體面結(jié)型二極管,沿正向偏壓注入電流進行激勵,在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射.光泵式半導體激光器,一般用N型或P型半導體單晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物質(zhì),以其他激光器發(fā)出的激光作光泵激勵.高能電子束激勵式半導體激光器,一般也是用N型或者P型半導體單晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物質(zhì),通過由外部注入高能電子束進行激勵.在半導體激光器件中,目前性能較好,應用較廣的是具有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電注入式GaAs二極管激光器.

半導體光電器件的工作波長是和制作器件所用的半導體材料的種類相關(guān)的。半導體材料中存在著導帶和價帶，導帶上面可以讓電子自由運動，而價帶下面可以讓空穴自由運動，導帶和價帶之間隔著一條禁帶，當電子吸收了光的能量從價帶跳躍到導帶中去時，就把光的能量變成了電，而帶有電能的電子從導帶跳回價帶，又可以把電的能量變成光，這時材料禁帶的寬度就決定了光電器件的工作波長。材料科學的發(fā)展使我們能采用能帶工程對半導體材料的能帶進行各種精巧的裁剪，使之能滿足我們的各種需要并為我們做更多的事情，也能使半導體光電器件的工作波長突破材料禁帶寬度的限制擴展到更寬的范圍。

半導體模塊工作原理是激勵方式，利用半導體物質(zhì)(既利用電子)在能帶間躍遷發(fā)光，用半導體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋、產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。

半導體模塊激光器優(yōu)點是體積小，重量輕，運轉(zhuǎn)可靠，耗電少，效率高等特點

半導體模塊激光器的功率從幾瓦到幾千瓦不等。激光打標機常用50W、75W、100W半導體模塊。對于端面泵浦的半導體模塊則一般使用幾瓦。最高一般采用20W

激光器的腔體可以有諧振腔和外腔之分。在諧振腔里，激光器的損耗有很多種類，比如偏折損耗，法布里珀羅諧振腔就有較大偏折損耗，而共焦腔的偏折損耗較小，適合于小功率連續(xù)輸出激光，還比如反轉(zhuǎn)粒子的無輻射躍遷損耗（這類損耗可以歸為白噪聲）等等之類的，都是腔長長損耗大。激光器閾值電流不過就是能讓激光器起振的電流，諧振腔長短的不同可以使得閾值電流有所不同，半導體激光器中，像邊發(fā)射激光器腔長較長，閾值電流相對較大，而垂直腔面發(fā)射激光器腔長極短，閾值電流就非常低了。這些都不是一兩句話可以說的清楚的，它們各自的速率方程也都不同，不是一兩個式子能解釋的。另外諧振腔長度不同也可以達到選模的作用，即輸出激光的頻率不同。

半導體激光器的常用參數(shù)可分為：波長、閾值電流Ith 、工作電流Iop 、垂直發(fā)散角θ⊥、水平發(fā)散角θ∥、監(jiān)控電流Im 。

（1）波長：即激光管工作波長，目前可作光電開關(guān)用的激光管波長有635nm、650nm、670nm、激光二極管690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。

（2）閾值電流Ith ：即激光管開始產(chǎn)生激光振蕩的電流，對一般小功率激光管而言，其值約在數(shù)十毫安，具有應變多量子阱結(jié)構(gòu)的激光管閾值電流可低至10mA以下。

（3）工作電流Iop ：即激光管達到額定輸出功率時的驅(qū)動電流，此值對于設(shè)計調(diào)試激光驅(qū)動電路較重要。

（4）垂直發(fā)散角θ⊥：激光二極管的發(fā)光帶在垂直PN結(jié)方向張開的角度，一般在15"para" label-module="para">

（5）水平發(fā)散角θ∥：激光二極管的發(fā)光帶在與PN結(jié)平行方向所張開的角度，一般在6"para" label-module="para">

（6）監(jiān)控電流Im ：即激光管在額定輸出功率時，在PIN管上流過的電流。

激光二極管在計算機上的光盤驅(qū)動器，激光打印機中的打印頭，條形碼掃描儀，激光測距、激光醫(yī)療，光通訊，激光指示等小功率光電設(shè)備中得到了廣泛的應用，在舞臺燈光、激光手術(shù)、激光焊接和激光武器等大功率設(shè)備中也得到了應用。

(1) 電力電子半導體模塊化： 　模塊化，按最初的定義是把兩個或兩個以上的電力半導體芯片按一定的電路結(jié)構(gòu)相聯(lián)結(jié)，用rtv、彈性硅凝膠、環(huán)氧樹脂等保護材料，密封在一個絕緣的外殼內(nèi)，并且與導熱底板相絕緣而成的。 　自從模塊原理引入電力電子技術(shù)領(lǐng)域以來，已開發(fā)和生產(chǎn)出多種內(nèi)部電路相聯(lián)接形式的電力半導體模塊，諸如雙向晶閘管、電力mosfet以及絕緣柵雙極型晶閘管(igbt)等模塊，使得模塊技術(shù)得以更快的發(fā)展。 　伴隨著mos結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代半導體器件研發(fā)成功，人們把器件芯片與控制電路、驅(qū)動電路、過壓、過流、過熱和欠壓保護電路以及自診斷電路組合起來，密封裝在同一絕緣外殼內(nèi)稱之為智能化電力半導體模塊，即ipm。 　為了提高整個系統(tǒng)的可靠性，以適應電力電子技術(shù)向高頻化、小型化、模塊化方向發(fā)展。在ipm的基礎(chǔ)上，再增加一些逆變器的功能，使逆變電路(ic)的所有器件以芯片形式封裝在一個模塊中，便成為用戶專用電力模塊(aspm)，這樣的模塊更有利于高頻化。 　為了能使邏輯電平為幾伏、幾毫安的集成電路ic與幾百伏、幾千伏的電力半導體器件相集成，以滿足電力事業(yè)的發(fā)展，人們采用混合封裝方法制造出能適應于各種場合的集成電力電子模塊(ipem)。 　(2) 智能晶閘管模塊： 　晶閘管智能模塊itpm(intelligent thyristor power mudule)，是把晶閘管主電路和移相觸發(fā)系統(tǒng)以及過電流、過電壓保護、傳感器等共同封裝在一個塑料外殼內(nèi)制成的，使有關(guān)電路成為了一個整體。該晶閘管是電流控制型電力半導體器件，需要大的脈沖觸發(fā)功率才能驅(qū)動晶閘管，該模塊做起來具有一定難度。 　(3) igbt智能模塊： 　80年代，絕緣柵雙極晶體管igbt器件研發(fā)成功。由于igbt器件具有電壓型驅(qū)動、驅(qū)動功率小、開關(guān)速度高、飽和壓降低以及可耐高電壓、大電流等一系列應用上的優(yōu)點，并可用ic來實現(xiàn)驅(qū)動和控制，進而發(fā)展到集成igbta芯片、快速二極管芯片、控制和驅(qū)動電路、過壓、過流、過熱和欠壓保護電路，箱位電路以及自診斷電路等封裝在同一絕緣外殼內(nèi)，具有智能化的igbt模塊(ipm)。它為電力電子逆變器的高頻化、小型化、高可靠性和高性能創(chuàng)造了器件基礎(chǔ)。 　(4) 通信電源模塊： 　現(xiàn)今電力電子技術(shù)在電源模塊中發(fā)展的趨勢是低電壓、大電流。在次級整流電路中選用同步整流技術(shù)成為一種高效、低損耗的方法。由于功率moseft的導通電阻很低，能提高電源效率，因而在采用隔離buck電路的dc/dc變換器中已開始應用。同步整流技術(shù)是通過控制功率moseft的驅(qū)動電路，實現(xiàn)整流功能的技術(shù)。一般驅(qū)動頻率固定，大約可達200khz以上，門限驅(qū)動可以采用交叉合(crosscoupled)或外加驅(qū)動信號配合死區(qū)時間控制實現(xiàn)。同步整流技術(shù)不僅提高了電源效率，而且給通信電源模塊帶來了新的進步，使得同步整流成為一種主流電源技術(shù)，應用于廣泛的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。

功率電子模塊的集成度 　半導體模塊之間的差異，不僅僅體現(xiàn)在連接技術(shù)方面。另一個差別因素是附加有源和無源器件的集成度。根據(jù)集成度不同，可分為以下幾類：標準模塊，智能功率模塊（ipm），（集成）子系統(tǒng)。在ipm被廣泛使用（尤其在亞洲地區(qū)）的同時，集成子系統(tǒng)的使用只剛剛起步。 　1、智能功率模塊（ipms） 　智能功率模塊的特點在于除了功率半導體器件外，還有驅(qū)動電路。許多ipm模塊也配備了溫度傳感器和電流平衡電路或用于電流測量的分流電阻。通常智能功率模塊也集成了額外保護和監(jiān)測功能，如過電流和短路保護，驅(qū)動器電源電壓控制和直流母線電壓測量等。 　然而，大部分智能功率模塊沒有對功率側(cè)的信號輸入進行電氣隔離。只有極少數(shù)的ipm包含了一個集成光耦。另一種隔離方案是采用變壓器 進行隔離。 　通常，小規(guī)模的ipm的特點在于其引線框架技術(shù)。穿孔銅板用作功率開關(guān)和驅(qū)動ic的載體。通過一層薄薄的塑料或絕緣金屬板進行散熱。 　用于中高功率應用的ipm模塊的設(shè)計特點是將模塊分為兩個層次。功率半導體在底部，驅(qū)動器和保護電路在上部。本領(lǐng)域內(nèi)名氣最大的ipm是賽米控的skiip"_blank" href="/item/電流傳感器/10894884" data-lemmaid="10894884">電流傳感器、電氣隔離和電源。這些模塊裝在風冷或水冷冷卻器上，并在供貨前進行全面的測試。 　一個有趣的趨勢是將標準模塊升級為ipm?？芍苯踊蚴褂脦?qū)動電路（通過彈簧連接）的適配器板來進行升級。賽米控的skypertm驅(qū)動器是這方面理想的產(chǎn)品。 　2、集成子系統(tǒng) 　所有這些ipm的共同點是真實的“智能”，即將設(shè)定點值轉(zhuǎn)換成驅(qū)動脈沖序列的控制器不包含在模塊中。賽米控是250kw以下轉(zhuǎn)換器用集成子系統(tǒng)的核心制造商。skaitm模塊也是ipm，其特點是集成了dsp控制器，除脈寬調(diào)制外，還可進行其它通信任務(wù)。這些子系統(tǒng)也包含集成直流環(huán)節(jié)電容器，一個輔助電源，精密電流傳感器和一個液體冷卻器。。

1、高壓晶閘管 　2、用于未來能量轉(zhuǎn)換中的igbt和快速開關(guān)二極管 　3、采用超級結(jié)技術(shù)的超高速開關(guān)器件 　4、應用于高功率電源的sic元件