成绩构成：实验20% + 作业10% + 卷面70%
考试方式：全开卷，可带教材、讲义、笔记等资料
考试题型：选择40-50题，简答6-7题
由于期末开卷考试成绩差异不大，因而本课程得分关键在于两次实验及其实验报告，分别是MOSFET管与IGBT的特性测试，涉及实验原理、波形图的绘制以及相应分析，是电力电子技术等后续课程实验的基础，需要用心完成。
开卷考试以老师的复印讲义为重点，选择题基本可以在讲义中到答案，但是课程内容量偏大，因而要求对讲义内容有一定的熟悉程度（考前可列出目录以辅助）。
以下为习题的参考解答（个人解答仅供参考，部分内容有待商榷）
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第1章 半导体器件的理论基础
1. 为什么电子迁移率高于空穴迁移率？
考试方式：全开卷，可带教材、讲义、笔记等资料
考试题型：选择40-50题，简答6-7题
由于期末开卷考试成绩差异不大，因而本课程得分关键在于两次实验及其实验报告，分别是MOSFET管与IGBT的特性测试，涉及实验原理、波形图的绘制以及相应分析，是电力电子技术等后续课程实验的基础，需要用心完成。
开卷考试以老师的复印讲义为重点，选择题基本可以在讲义中到答案，但是课程内容量偏大，因而要求对讲义内容有一定的熟悉程度（考前可列出目录以辅助）。
以下为习题的参考解答（个人解答仅供参考，部分内容有待商榷）
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第1章 半导体器件的理论基础
1. 为什么电子迁移率高于空穴迁移率？
答：半导体中的载流子有带负电的电子和带正电的空穴，载流子在单位电场中的漂移速度称为迁移率。同一材料中，电子迁移率明显高于空穴迁移率，这是由于：
(1) 形成：空穴的出现和运动本质上是束缚电子的移位，产生的难易程度与自由电子相差较大；
(2) 能带：电子位于导带而空穴位于价带，两者存在于不同的能级；
(3) 质量：电子质量远小于空穴的等效质量。
4. 为什么反偏PN结的漏电流不大且有一个饱和值？
答：对PN结P区加负、N区加正的偏置为反偏状态，此时空间电荷区电荷加强，且对多子的扩散运动阻碍加强、对少子的漂移运动促进加强，因此扩散电流大大减弱，少子的漂移电流占主要作用。少子的漂移是抽取过程，其抽取对象为对方的少子，决定于载流子的实际浓度。由于少子是由热激发引起的，浓度很小，因此漏电流（反向电流）很小。当温度一定时，少子浓度一定，几乎不受偏压的影响，此值即为饱和电流。
7. P+N结雪崩击穿发生在P侧还是N侧？为何N区浓度上升，击穿电压UB下降？
(1) 形成：空穴的出现和运动本质上是束缚电子的移位，产生的难易程度与自由电子相差较大；
(2) 能带：电子位于导带而空穴位于价带，两者存在于不同的能级；
(3) 质量：电子质量远小于空穴的等效质量。
4. 为什么反偏PN结的漏电流不大且有一个饱和值？
答：对PN结P区加负、N区加正的偏置为反偏状态，此时空间电荷区电荷加强，且对多子的扩散运动阻碍加强、对少子的漂移运动促进加强，因此扩散电流大大减弱，少子的漂移电流占主要作用。少子的漂移是抽取过程，其抽取对象为对方的少子，决定于载流子的实际浓度。由于少子是由热激发引起的，浓度很小，因此漏电流（反向电流）很小。当温度一定时，少子浓度一定，几乎不受偏压的影响，此值即为饱和电流。
7. P+N结雪崩击穿发生在P侧还是N侧？为何N区浓度上升，击穿电压UB下降？
答：雪崩击穿源于强电场中半导体载流子的倍增效应，与空间电荷区的场强、宽度有关。宽度越宽，载流子动能的增加所具有的加速距离越长，载流子间碰撞的几率越大。因此雪崩击穿通常发生在空间电荷区较宽的轻掺杂侧。对于单边突变结，击穿电压UB随轻掺杂区杂质浓度的上升而下降。
对于P+N结，N区为轻掺杂区，故雪崩击穿发生于N侧。N区浓度Nd上升，UB下降，且存在UB = 1.69 x 10^18 Nd^(-3/4)的关系。
8. PN结加反向电压时有无扩散电容效应？为什么要用微分电容来衡量PN结电容？
答：PN结空间电荷区外存在与注入载流子运动有关的电容效应，即扩散电容，它是由正向偏压引起的，因此在反偏状态下不存在。
PN结的势垒电容和扩散电容都是外加电压的函数而非常数，因而要用微分电容来衡量PN结电容，即C(U) = dQ/dU。
第2章 半导体二极管与晶体管
3. 决定PN结二极管的trr因此有器件内因与电路外因两类，分别是什么？如何影响trr的大小？
对于P+N结，N区为轻掺杂区，故雪崩击穿发生于N侧。N区浓度Nd上升，UB下降，且存在UB = 1.69 x 10^18 Nd^(-3/4)的关系。
8. PN结加反向电压时有无扩散电容效应？为什么要用微分电容来衡量PN结电容？
答：PN结空间电荷区外存在与注入载流子运动有关的电容效应，即扩散电容，它是由正向偏压引起的，因此在反偏状态下不存在。
PN结的势垒电容和扩散电容都是外加电压的函数而非常数，因而要用微分电容来衡量PN结电容，即C(U) = dQ/dU。
第2章 半导体二极管与晶体管
3. 决定PN结二极管的trr因此有器件内因与电路外因两类，分别是什么？如何影响trr的大小？
答：二极管由导通状态向截止状态转变时，在阻断反向电流之前还需释放存储的电荷，此放电时间即为二极管的反向恢复时间（trr），其间电流反向流过二极管，决定因素有：
(1) 器件内因：少子寿命（τ）、器件电感等；
(2) 电路外因：反向电压（UR）、正向峰值电流（IF）、电流下降率（di/dt）、结温等。
当载流子寿命τ越小，正向电流峰值IF越小，电压UR越大时，trr越小。
6. 为什么高频电力电子电路常选快、软、正向特性好的二极管？
答：电力电子电路的二极管通常具有功率大的特点，常用于整流、逆变、变波、折频等电路，对于具有高频要求的电路，需选用快速、具有较好正向特性的二极管，以降低响应和导通过程的损耗，减少电磁噪声干扰。
同时，在二极管反向恢复特性中，其电流下降率取决于本身的特性，如下降过快会引起开关器件端电压上升从而造成误导通，因此针对高频电力电子电路，应选用快软恢复特性的二极管。
9. 叙述双极晶体管的BUceo、BUcer、BUces、BUcex、BUcbo的定义及其大小次序。
答：以下均为双极晶体管的极限参数
BUceo：基极开路时的集电极-发射极反向击穿电压；
BUcer：基极-发射极串电阻时的集电极-发射极反向击穿电压；
BUces：基极-发射极被短路时的集电极-发射极反向击穿电压；
BUcex：基极-发射极串电阻并加反偏压时的集电极-发射极反向击穿电压；
BUcbo：发射极开路时的集电极-基极反向击穿电压。
其大小关系为：BUcbo > BUcex > BUces > BUcer > BUceo。
10. 说明双极晶体管的3种工作状态及集电结、发射结的偏置状态。
答：3种工作状态
电子器件有哪些(1) 放大状态：集电结反偏、发射结正偏；
(2) 饱和状态：偏电结正偏、发射结正偏；
(3) 截止状态：偏电结反偏、发射结反偏。
答：以下均为双极晶体管的极限参数
BUceo：基极开路时的集电极-发射极反向击穿电压；
BUcer：基极-发射极串电阻时的集电极-发射极反向击穿电压；
BUces：基极-发射极被短路时的集电极-发射极反向击穿电压；
BUcex：基极-发射极串电阻并加反偏压时的集电极-发射极反向击穿电压；
BUcbo：发射极开路时的集电极-基极反向击穿电压。
其大小关系为：BUcbo > BUcex > BUces > BUcer > BUceo。
10. 说明双极晶体管的3种工作状态及集电结、发射结的偏置状态。
答：3种工作状态
电子器件有哪些(1) 放大状态：集电结反偏、发射结正偏；
(2) 饱和状态：偏电结正偏、发射结正偏；
(3) 截止状态：偏电结反偏、发射结反偏。
第4章 自关断双极器件
1. GTR的结构特点是什么？为什么要这样做？
答：
(1) 采用NPN型的基本结构，与双极晶体管具有相似的结构和特性，属于电流控制型全控开关器件，正向基极电流控制导通，反向控制关断。
(2) 竖直导电型器件，即发射极与基极共面而不与集电极共面，利于提高集电极电流密度，因而具有大容量、高电流的特点。
(3) NPN三重扩散台面结构，保证可靠性，可改善器件的二次击穿特性，易于提高耐压能力和耗散内部能量，以适应大功率的工作特性。
(4) 逻辑上采用达林顿复合管结构，一方面有效提高电流放大倍数，另一方面加速了电流的下降速率即加速关断。
2. 什么是GTR的二次击穿？有什么后果？如何解释二次击穿现象？
答：GTR一次击穿后，若不加限制，反向电流急剧增加，IC上升到临界值后，电压Uce急剧下降，产生电流点向低阻抗高速移动的负阻现象，这就是二次击穿，往往立即导致器件
1. GTR的结构特点是什么？为什么要这样做？
答：
(1) 采用NPN型的基本结构，与双极晶体管具有相似的结构和特性，属于电流控制型全控开关器件，正向基极电流控制导通，反向控制关断。
(2) 竖直导电型器件，即发射极与基极共面而不与集电极共面，利于提高集电极电流密度，因而具有大容量、高电流的特点。
(3) NPN三重扩散台面结构，保证可靠性，可改善器件的二次击穿特性，易于提高耐压能力和耗散内部能量，以适应大功率的工作特性。
(4) 逻辑上采用达林顿复合管结构，一方面有效提高电流放大倍数，另一方面加速了电流的下降速率即加速关断。
2. 什么是GTR的二次击穿？有什么后果？如何解释二次击穿现象？
答：GTR一次击穿后，若不加限制，反向电流急剧增加，IC上升到临界值后，电压Uce急剧下降，产生电流点向低阻抗高速移动的负阻现象，这就是二次击穿，往往立即导致器件
的永久性损坏或工作特性明显衰变。
二次击穿现象有多种理论解释：
(1) 热电正反馈：由于器件的不均匀分布（如参数、管内结面、晶格缺陷等）引起某些薄弱点上具有高电流密度，加之正温度系数的反馈作用，电流密度增大、温度升高，导致过热点晶体熔化，常用于解释延迟时间较长的二次击穿；
(2) 雪崩击穿：应用于带感性负载的GTR，常用于解释延率的迟时间较短的二次击穿。
第3章 晶闸管
5. 叙述晶闸管的di/dt耐量的物理意义及其与晶闸管结构、门极触发与负载性质的关系。
答：晶闸管在加上门极信号到导通过程中，由于导通区域局部电流很大、发热很强，因此有一个承受电流上升率的能力。晶闸管的di/dt容量（耐量）表示晶闸管开通瞬间对阳极电流上升率的允许极限，若di/dt值超过所能承受的极限值，则器件会发生di/dt击穿。di/dt容量也称为通态电流临界上升率。
改善方法：
(1) 内：管子结构——增加门极-阴极周界长度、减薄基区厚度，以增大初始导通面积
二次击穿现象有多种理论解释：
(1) 热电正反馈：由于器件的不均匀分布（如参数、管内结面、晶格缺陷等）引起某些薄弱点上具有高电流密度，加之正温度系数的反馈作用，电流密度增大、温度升高，导致过热点晶体熔化，常用于解释延迟时间较长的二次击穿；
(2) 雪崩击穿：应用于带感性负载的GTR，常用于解释延率的迟时间较短的二次击穿。
第3章 晶闸管
5. 叙述晶闸管的di/dt耐量的物理意义及其与晶闸管结构、门极触发与负载性质的关系。
答：晶闸管在加上门极信号到导通过程中，由于导通区域局部电流很大、发热很强，因此有一个承受电流上升率的能力。晶闸管的di/dt容量（耐量）表示晶闸管开通瞬间对阳极电流上升率的允许极限，若di/dt值超过所能承受的极限值，则器件会发生di/dt击穿。di/dt容量也称为通态电流临界上升率。
改善方法：
(1) 内：管子结构——增加门极-阴极周界长度、减薄基区厚度，以增大初始导通面积
(2) 外：1) 门极触发——采用前沿陡峻、幅值高的门极强触发脉冲
2) 负载性质——增加浪涌电压保护回路（串联电阻、饱和电抗器），以抑制电流上升率
6. 晶闸管的du/dt耐量的物理意义是什么？超过此耐量什么后果？如何在器件结构和外电路上提高du/dt耐量？
答：晶闸管的断态电压临界上升率（du/dt耐量）是指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。
在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向上升率时，将出现位移电流，可触发门极导通。当电压上升率超过du/dt耐量时，充电电流足够大，将使晶闸管误导通。
改善方法：
(1) 内：管子结构——降低少子寿命（阴极短路点、非对称结构、掺金铂或电子、快中子辐照），降低关断时间
(2) 外：负载性质——在阳极与阴极间并上RC阻容缓冲电路，防止电压突变
第5章 功率场控器件
2) 负载性质——增加浪涌电压保护回路（串联电阻、饱和电抗器），以抑制电流上升率
6. 晶闸管的du/dt耐量的物理意义是什么？超过此耐量什么后果？如何在器件结构和外电路上提高du/dt耐量？
答：晶闸管的断态电压临界上升率（du/dt耐量）是指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。
在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向上升率时，将出现位移电流，可触发门极导通。当电压上升率超过du/dt耐量时，充电电流足够大，将使晶闸管误导通。
改善方法：
(1) 内：管子结构——降低少子寿命（阴极短路点、非对称结构、掺金铂或电子、快中子辐照），降低关断时间
(2) 外：负载性质——在阳极与阴极间并上RC阻容缓冲电路，防止电压突变
第5章 功率场控器件
3. 叙述VDMOS的RDS与其击穿电压、结温的关系。
答：VDMOS的通态电阻RDS与击穿电压BVDS满足 RDS = 8.3 x 10^-7 (BVDS)^2.5/A，即与击穿电压呈幂相关。
VDMOS的通态电阻RDS与结温Tj的归一化关系曲线如图所示，即RDS随着结温的上升而增大，即二者呈正相关。
4. VDMOS的体寄生二极管可以做续流二极管（FWD）吗？为什么？若使用其作为FWD应用后，有什么后果？为什么非要有这个体寄生二极管？
答：体寄生二极管不一定可作为续流二极管使用，与负载特性有关。对于容性负载
，可以；对于感性负载，不可。当此管正向导通后使导通电流倍增产生雪崩，形成电流正反馈，若无有效限流措施将使管子因二次击穿而损坏。
VDMOS的体寄生二极管的形成是由制造工艺决定，其作用是为了减小结电容，从而改善开关特性。
9. VDMOS的du/dt误导通的原因是什么？
答：VDMOS的通态电阻RDS与击穿电压BVDS满足 RDS = 8.3 x 10^-7 (BVDS)^2.5/A，即与击穿电压呈幂相关。
VDMOS的通态电阻RDS与结温Tj的归一化关系曲线如图所示，即RDS随着结温的上升而增大，即二者呈正相关。
4. VDMOS的体寄生二极管可以做续流二极管（FWD）吗？为什么？若使用其作为FWD应用后，有什么后果？为什么非要有这个体寄生二极管？
答：体寄生二极管不一定可作为续流二极管使用，与负载特性有关。对于容性负载
，可以；对于感性负载，不可。当此管正向导通后使导通电流倍增产生雪崩，形成电流正反馈，若无有效限流措施将使管子因二次击穿而损坏。
VDMOS的体寄生二极管的形成是由制造工艺决定，其作用是为了减小结电容，从而改善开关特性。
9. VDMOS的du/dt误导通的原因是什么？
答：
(1) 当VDMOS器件处于关断状态时，在漏-栅间的时变电压将在栅-源回路中产生位移电流，其大小由电压变化率决定。当电流较大，由栅极电阻产生的压降超过开启电压时即引起误导通，此机理不易损坏器件。
(2) VDMOS的寄生晶体管的发射结正向导通后，Rb上的压降决定了临界du/dt的大小，易引起雪崩击穿。
11. VDMOS为什么容易并联？在并联时，应该注意追求各个器件的均流性还是热耦合性？
答：VDMOS的通态电阻RDS在管芯温度升高时相应增大，即具有正的温度系数，这使得单器件避免热电二次击穿、多并联器件可自然均流。当并联器件中出现分流不均的情况时，分流较大的器件将因电流效应而具有较高温度，从而使通态电阻增大，进而均流。
考虑到电路或系统的最佳工作状态与可靠性，应降低由自然均流机制造成的管芯温升，即应当使全部并联器件间有最紧的热耦合性。
13. VDMOS为何采用多元胞并联结构？与GTR、GTO的多元胞结构有什么区别？
(1) 当VDMOS器件处于关断状态时，在漏-栅间的时变电压将在栅-源回路中产生位移电流，其大小由电压变化率决定。当电流较大，由栅极电阻产生的压降超过开启电压时即引起误导通，此机理不易损坏器件。
(2) VDMOS的寄生晶体管的发射结正向导通后，Rb上的压降决定了临界du/dt的大小，易引起雪崩击穿。
11. VDMOS为什么容易并联？在并联时，应该注意追求各个器件的均流性还是热耦合性？
答：VDMOS的通态电阻RDS在管芯温度升高时相应增大，即具有正的温度系数，这使得单器件避免热电二次击穿、多并联器件可自然均流。当并联器件中出现分流不均的情况时，分流较大的器件将因电流效应而具有较高温度，从而使通态电阻增大，进而均流。
考虑到电路或系统的最佳工作状态与可靠性，应降低由自然均流机制造成的管芯温升，即应当使全部并联器件间有最紧的热耦合性。
13. VDMOS为何采用多元胞并联结构？与GTR、GTO的多元胞结构有什么区别？
答：VDMOS采用多元胞并联结构，是由于导通电阻RDS限制了短沟道特性，采用缩小沟道长度、减小沟道电阻的方法可以提高电流容量，增大通态电流。同时，为了避免高压下的表面击穿，还引入了场板、电场环等终端结构。
GTR的多元胞结构解决的是发射极的畸变效应，GTO的多元胞结构是为了解决器件的可关断问题。
18. IGBT在结构上比VDMOS多一层P型层（均指N沟器件），此P型层使IGBT在哪些性能上与VDMOS发生较大差别？
答：IGBT在结构上比VDMOS多了一层P型层，性能上获得一定的优越性
(1) IGBT多获得了一个PN结，提供了一个无反偏二极管；
(2) PN结使N区载流子浓度提高，产生电导调制效应，降低了N区导通压降；
(3) 减小了导通电阻；
(4) PN结提供了反向电压的阻断能力，其雪崩击穿电压决定了反向阻断电压的大小，由于此结承受了大部分电压，使MOS结构承受了较低压降；
(5) 漂移区非平衡载流子注入，关断时间变长。
GTR的多元胞结构解决的是发射极的畸变效应，GTO的多元胞结构是为了解决器件的可关断问题。
18. IGBT在结构上比VDMOS多一层P型层（均指N沟器件），此P型层使IGBT在哪些性能上与VDMOS发生较大差别？
答：IGBT在结构上比VDMOS多了一层P型层，性能上获得一定的优越性
(1) IGBT多获得了一个PN结，提供了一个无反偏二极管；
(2) PN结使N区载流子浓度提高，产生电导调制效应，降低了N区导通压降；
(3) 减小了导通电阻；
(4) PN结提供了反向电压的阻断能力，其雪崩击穿电压决定了反向阻断电压的大小，由于此结承受了大部分电压，使MOS结构承受了较低压降；
(5) 漂移区非平衡载流子注入，关断时间变长。
23. IGBT的饱和压降与温度、电流的关系是什么？
答：
PT-IGBT：
在小电流条件（< 5 A）下，饱和压降随着温度的升高而下降，即具有负温度系数；
在大电流条件（> 9 A）下，饱和压降随着温度的升高而增大，即具有正温度系数。
其中改变温度系数符号的电流值取决于器件负载电流的设计能力。
NPT-IGBT：具有正温度系数。
30. 什么是NPT-IGBT？为什么NPT-IGBT具有极强的应用优势？为什么NPT-IGBT是将来较长一段时间内的主流开关高频器件？
答：NPT-IGBT（None Punch Through - IGBT）在结构上不存在N+缓冲层，正向阻断时N-区不全为耗尽层，故称为非穿通型NPT-IGBT。
其具有的优点是：
(1) 相同饱和压降下具有更小的关断时间与关断损耗；
(2) 关断尾部电流小，且随温度变化小，通过改变P+的掺杂浓度和厚度可改变β和toff；
(3) 通态压降具有正温度系数，易并联使用；
(4) 具有更强的耐外电路电流能力，更大的正、反向安全工作区；
(5) 性价比更优，制造成本下降；
(6) 易做高压器件。
随着制造工艺的不断改进，结构参数的综合优化，性能将得到不断改进，特别是频率特性方面，适于高频下的开关器件。
(3) 通态压降具有正温度系数，易并联使用；
(4) 具有更强的耐外电路电流能力，更大的正、反向安全工作区；
(5) 性价比更优，制造成本下降；
(6) 易做高压器件。
随着制造工艺的不断改进，结构参数的综合优化，性能将得到不断改进，特别是频率特性方面，适于高频下的开关器件。
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