電力電子器件又稱為功率半導體器件。在教學過程中，發現大部分學生僅僅能夠記住電力電子器件的基本工作特性，而對於電力電子器件的工作原理，很多學生都表示難以理解和掌握。該文作者通過課堂教學實踐和對教材的總結，發現對於沒有半導體物理知識背景的工科學生來說，半導體PN接面的知識在教授電力電子器件的工作原理中起著非常重要作用。基於此，該文探討怎樣將PN接面的知識合理的運用到每種電力電子器件的教學當中。教學實踐證明，將半導體PN接面的知識作為電力電子器件的教學基礎，並且從PN接面的角度來分析和教授電力電子器件，不但可以擴充套件學生的知識面，最重要的是可以使學生有能力清晰地理解電力電子器件的工作原理。
電力電子技術是20世紀後半葉誕生的一門嶄新的技術，它廣泛應用於電氣工程中。電力電子技術的發展史是以電力電子器件的發展史為綱的[1-2]。可以說，新型電力電子器件的產生是推動電力電子技術發展的原動力。電力電子技術的教材一般分為三大部分，第一部分就是電力電子器件，是全部電力電子技術的基礎[3]。第二部分是電力電子電路，即能量變換電路。第三部分是各種變流電路中的控制技術和軟開關技術。電力電子器件在能量變換主電路中起著處理能量的作用，是實現電能變換和控制的電子器件[4]。所以，電力電子器件的教學構成了電能變換電路和控制電路的教學所必不可少的基礎環節。掌握電力電子器件的工作原理和工作特性可以為進一步學習電能變換電路奠定堅實的基礎。
在教學過程中發現，電氣工程專業的大部分學生僅僅能夠通過記憶來掌握電力電子器件的基本工作特性，而不能理解電力電子器件的工作原理。如果學生缺乏對電力電子器件工作原理的理解，將很容易忘記或者是記憶混淆各種電力電子器件的工作特性。該文將探討如何改進教學方法來增加學生對電力電子器件工作原理的理解與掌握。教學分析與實踐證明，將半導體的基本元素—PN接面的知識運用到電力電子器件的講解中，將有助於學生消化和吸收各種電力電子器件的工作原理。下面將分兩部分探討電力電子器件的教學。第一部分是作者通過實踐總結的對於電力電子教學有幫助的半導體PN接面的基礎知識。第二部分將探討實踐中作者是如何從半導體PN接面的角度來分析和教授電力電子器件的工作原理。
1 半導體PN接面的工作原理
半導體中存在兩種載流子，分別是帶負電的自由電子和帶正電的空穴，電子或者空穴的運動就形成了電流。本徵半導體的自由電子和空穴的數目相同[5]。在本徵半導體中摻入微量雜質，其導電效能便可顯著增加[6]。根據摻入雜質的性質不同，雜質半導體可分為N型半導體和P型半導體。N型半導體中，自由電子為多數載流子，空穴為少數載流子。P型半導體中，空穴為多數載流子，自由電子為少數載流子。
(1)PN接面的形成。
當N型半導體和P型半導體結合後，多數載流子因濃度上的差異開始向對方進行擴散運動，如圖1所示。穩定後，在交介面的兩側便形成了一個不能移動的帶異性電荷的離子層，這就是空間電荷區，也就是PN接面，如圖2所示。空間電荷區的電阻率很高。
(2)PN接面的單向導電性。
此時，給PN接面外加正向電壓，PN接面將正向偏置。外加正電壓時，由於外加電場與內電場方向相反，使得內電場被削弱。當外加電場大於內電場時，N區的電子將跨過空間電荷區進入到P區，P區的空穴也將進入到N區，因此形成了較大的正向電流，這時PN接面處於導通狀態。
當給PN接面加反向電壓時，如圖4所示，PN接面將反向偏置。由於此時的外電場方向與內電場相同，因此內電場將變寬，PN接面呈現高阻態，PN接面截止。
PN接面的“正向導通，反向截止”特性是PN接面構成半導體器件的基礎。學生牢固掌握和理解以上所述的PN接面工作原理和特性，將有助於分析各種電力電子器件的工作原理。教學實踐表明，如果在電力電子器件教學中，不給學生補充以上半導體PN接面的知識，學生將很難理解電力電子器件的工作原理。尤其是對於電氣工程學科的學生來說，大部分學生沒有半導體物理的知識背景，那麼在學起電力電子器件這個章節時，很多學生感覺這個章節像是無根之木。作者在教學實踐中給學生適當的補充了半導體PN接面的基本知識，發現他能夠促進學生對各種電力電子器件原理的認識。另外，教學實踐表明，在教學過程中，從半導體PN接面的角度來分析和教授電力電子器件的工作原理，是取得良好教學效果的關鍵。下面以閘流體這種電力電子器件為例，探討如何從PN接面的角度來教授電力電子器件工作原理的教學方法。
2 半控器件—— 閘流體的工作原理分析
閘流體也稱為可控矽整流器件(SCR)，是由四層半導體材料並列放置而構成的大功率半導體器件。四層半導體材料分別是PNPN型，如圖5所示。連線第一層P型半導體的電極是陽極A，連線第三層P型半導體材料的電極是控制極G，連線第四層N型半導體材料的電極是陰極K。根據小節1中的半導體PN接面的知識，學生可以很容易的得出，此四層PNPN型半導體材料放在一起便構成了J1、J2和J3三個PN接面。因此，在教學過程中，如果教師可以給學生補充PN接面知識，並且能夠從PN接面的角度來分析與教授閘流體的工作原理，那麼學生將很容易理解閘流體的工作原理。下面將運用該文小節1中知識，從PN接面的.角度來分析和教授閘流體的工作原理。
(1)反向特性。
給閘流體的陽極A加負電壓，陰極K加正電壓，閘流體承受反壓，如圖6所示。此時，我們可以利用小節1中的知識，從PN接面的角度來分析閘流體在承受反壓情況下的特性。從圖6中，我們可以看到，J1和J3兩個PN接面的P級都接了負電壓，而N級都接了正電壓。根據PN接面原理，我們可以得出J1和J3兩個PN接面處於截止狀態。另外，由於J2這個PN接面的P級接了正電壓，而N級接了負電壓，根據PN接面原理，我們可以判斷，J2這個PN接面是正向導通的。總的來說，在閘流體承受反壓時，J2正偏，J1和J3反偏，整個閘流體器件將處於截止狀態。隨著反向電壓增加到J1這個PN接面的雪崩擊穿電壓時，J1結髮生雪崩擊穿，同時J3結也發生雪崩擊穿，閘流體的反向電流將迅速增加。
(2)門極無控制訊號時的正向特性。
在不加控制訊號的情況下，即門極G端不加電壓時，給閘流體的陽極A加正向電壓，陰極K加負電壓，此時閘流體承受正向電壓，如圖7所示。根據小節1所講述的PN接面工作原理，學生可輕鬆判斷，J1結和J3結處於正偏，而J2結處於反偏，閘流體處於正向阻斷狀態。
(3)門極有控制訊號時的正向特性。
當有門級控制訊號時，也就是在門極G上加驅動電壓時，給閘流體的陽極A加正向電壓，陰極K加負電壓。從圖7中，我們可以看到，J3結的P級將通過門極接正電壓，N級接負電壓，所以J3正偏。此時，電流從驅動門極G注入P2區，P2區的空穴進入N2區，由此形成觸發電流IG。因為有電流從門極G注入到P2區，使得P2區的空穴大量增加。積累在P2區的空穴，使得P2區的電位升高。當注入電流使得P2區的電位升高到大於N1區電位時，J2結變成正偏。這時J1結，J2結和J3結均處於正偏，閘流體進入正向導通狀態。
(4)門極可控制其導通，不能控制其關斷。
在門極G上有驅動電壓且閘流體承受正向電壓的情況下，閘流體導通。為了更清楚地和學生解釋，閘流體的門極不能控制其關斷的特性，我們把閘流體中間的N1P2結分成兩部分，使閘流體構成一個PNP型三極體和一個NPN型三極體的複合管，如圖8所示。從圖8中，我們可以看到每個電晶體的集電極電流同時又是另一個電晶體的基極電流，因此當有足夠的門極電流IG流入時，就會形成強烈的電流正反饋，造成兩電晶體飽和導通。此時，即使去掉IG，由於閘流體內強烈的電流正反饋的存在，閘流體將仍然處於導通狀態。
根據以上四點原理分析，我們可將閘流體的工作特性總結為以下幾點。
(1)閘流體承受反向電壓時，無論門極是否有觸發電壓，閘流體都處於截止狀態。
(2)閘流體承受正向電壓時，僅在門極有觸發電流的情況下閘流體才導通。
(3)閘流體在導通情況下，門極就失去了控制作用，無論門極觸發電流是否存在，閘流體都保持導通。
(4)若要使閘流體關斷，只能利用外電路使流過閘流體的電流降到接近於零的某一數值，閘流體便關斷。
教學實踐中發現，通過從半導體PN接面的角度來分析和教授閘流體的原理，學生不用單靠記憶來記住閘流體的四點工作原理，學生能夠在理解的基礎上進行消化和吸收，取得了很好的教學效果。
以上是以閘流體的教學為例來探討如何從半導體PN接面的角度來分析和教授電力電子器件。在實際教學當中，作者還將半導體PN接面的知識合理的運用到了其他電力電子器件的教學當中，如MOSFET和IGBT等。教學實踐表明，在教授電力電子器件之前，給學生適當補充半導體PN接面的知識，會使學生更容易理解各種電力電子器件的工作特性。另外，教學實踐還表明，從PN接面的角度來分析各種電力電子器件工作原理的教學方法，可以使學生舉一反三和融會貫通地理解所教知識。
3 結語
電力電子器件的教學在整個電力電子技術中起著重要作用。好的電力電子器件的教學方法可以使學生理解和牢固掌握各種電力電子器件的原理及特性，為後續章節的學習起到重要的鋪墊作用。通過教學實踐表明，給工科學生適當補充半導體PN接面的知識，可以為學生更好的理解各種電力電子器件的工作原理奠定基礎。教學實踐還表明，教學過程中從PN接面的角度來分析和教授各種電力電子器件，可以使電力電子器件的工作原理化繁為簡，使學生能夠在理解的基礎上消化與吸收各種電力電子器件的工作原理。