電力電子器件也就是功率半導體器件，是用作電力電子裝置中的開關或整流的半導體器件。通常也稱為功率器件，功率IC等。
電力電子器件的工作模式包括整流，放大和開關，如下圖。
但為了降低損耗，通常工作于“換流模式”，即開或關兩模式。是以，功率半導體器件多用于整流和開關，極少用于放大。
電力電子器件的開關特性：
1）導通時（通态）阻抗很小，接近于短路，管壓降接近于0，導通電流由外部電路決定；
2）阻斷時（斷态）阻抗很大，接近于開路，電流幾乎為0，管子兩端電壓由外電路決定；
3）導通關斷瞬間将産生較大的功率，是以器件損耗不僅包括導通損耗也包括開關損耗。
另外值得注意的是，電力電子器件的耗散功率大，通常需要配備額外的冷卻裝置。
有些人覺得奇怪，前面不是說電力電子器件的效率高嗎，這裡為什麼又會耗散功率大？
其實這裡是相對而言的，我們知道電力電子器件工作在高壓大電流環境，例如一個電力電子器件工作在10萬W的條件下，效率99%，那麼耗散功率也有1000W了。
PN結原理介紹
在元素周期表中，可以分為金屬和非金屬，而介于二者之間的例如矽，鍺等，這類導體的電阻率介于金屬和非金屬之間，是制造半導體的材料。
也是完全不含雜質且無晶格缺陷的純淨半導體，其導電能力主要由材料的本征激發決定，稱為本征半導體。
以矽本征半導體為例，矽的價電子為4，其最外層有4個電子，并且4個電子都與相鄰的矽原子共享，形成共價鍵。
由于本征激發，會産生少量的自由電子和空穴對，随着溫度升高，自由電子和空穴對也随之增加。
如果在矽本征半導體中摻雜價電子為5的磷，這樣有一個電子可在其中自由移動，這就叫N摻雜，摻雜後的半導體稱為N型半導體。
如果在矽本征半導體中摻雜價電子為3的鋁，這樣就有一個多餘可放置電子的空穴，相鄰電子可随時填上，出現電子運動，也就是空穴相對運動，這種摻雜稱為P摻雜，摻雜後的半導體稱為P型半導體。
N型半導體有很多的自由電子，僅有少量的空穴，是以自由電子為N型半導體多數載流子（多子），而空穴為少數載流子（少子）。
P型半導體有很多空穴，僅有少量自由電子，是以空穴為多子，自由電子為少子。注意少數載流子是由本征激發而來的。
如果将P型半導體和N型半導體相連形成PN結，如下圖。
N區自由電子濃度高向P區擴散，鄰近PN結的N型中的自由電子與P型中的空穴結合，該區域耗盡自由電子和空穴，這一部分就稱為耗盡層或空間電荷區。
N型材料和P型材料本體呈電中性，耗盡層N側失去電子，僅留下正離子，P側失去空穴，僅留下負離子。正負離子使得PN結中形成了一個空間電荷區，也是靜電場的勢壘區。
如果将PN結的末端引出，P端接電源正極，N端接負極，稱為正向偏置。此時勢壘區産生的電場方向和外加的電場方向相反。
當外加的正向電場幅值大于勢壘區的電場幅值時，勢壘區完全消失，電子從N區逐漸向P區擴散，P區充滿電子，電子源源不斷從外部電路進入N區，P區，再回到外部電路，由此整個電路導通，電流由此産生。
此時外加的電壓稱為正向偏置電壓，根據半導體材料不同，矽是0.7V，鍺是0.3V。這個電壓也是我們常說的導通壓降。
如果P端接電源負極，N端接電源正極，稱為反向偏置。
此時勢壘區産生的電場方向與外加的電場方向一緻，正極吸引N區的自由電子遠離PN結，負極吸引P區的空穴原理PN結，是以空間電荷區随着反偏電壓的增加而變寬，N區自由電子無法穿過厚的空間電荷區，電流無法流過二極管。
反向偏置時，N區和P區的少數載流子會在空間電荷區出現，勢壘電場方向與自由電子從P區到N區的方向一緻，部分少子能順利流過二極管，是以流過電流很小，該電流稱為反向飽和電流。
如果持續增大反偏電壓，耗盡層的場強增加，附近自由電子動能也增加了，自由電子高速撞擊原子産生新的自由電子-空穴對，新産生的自由電子也在該電場内得到加速，進一步破壞共價鍵從原子釋放出更多的電子，該過程使得耗盡層的自由電子-空穴對成倍增加，該現象被稱為雪崩擊穿。
在搞摻雜濃度的PN結中，P區與N區的間距較窄，一定的反偏電壓的場強足以直接将電子從耗盡層内的共價鍵拉出并産生電流，最終使勢壘區瓦解。該電壓稱為齊納擊穿電壓，齊納擊穿也被稱為隧道擊穿。
外加偏置電壓變化，空間電荷區電荷量變化，耗盡層寬度随之變化。這種變化而呈現的電容效應為勢壘電容（暫态電容或耗盡層電容）。
正向電壓較大時，耗盡層消失，自由電子向低濃度擴散，積累而形成的電容效應稱為擴散電容。
結電容又稱微分電容，包括勢壘電容和擴散電容。
勢壘電容隻在外部電壓變化時才起作用，且外加電壓頻率越高，勢壘電容越明顯。
擴散電容僅在正偏時才起作用，正偏時，電壓較低時勢壘電容為主，電壓較高時擴散電容為主。
以PN結為基礎引出功率二極管。
上圖看來我們對功率二級管的需求的實作貌似是沖突的，那還有解決辦法嗎？
通過在兩個重摻雜的P+和N+區之間引入一定厚度的輕摻雜N-（漂移層）以緩解功率二極管需求的沖突。
N-和P+交界處會形成耗盡層，N-和N+交界處也會形成耗盡層，但是相對前一個耗盡層較窄，可以忽略。
N-區摻雜濃度低，接近本征半導體，可承受較高的反向外沖擊電壓，N-區越寬，可承受反向電壓越高，足夠高的反向電壓還可以使整個N-區耗盡，甚至擴充到N+區。由此滿足反向電壓KV級。
足夠的外部正向電壓使得P+N-結勢壘區消失，電子從N+區逐漸向N-和P+區擴散，擴散運動的進行，使得N-和P+區充滿電子，電子源源不斷從外部進入N+區，N-區，P+區，再回到外部電路，由此回路導通。
總結一下增加了N-區的影響，耗盡層增厚，反向耐壓能力得到提高。導通電阻增加，通态壓降增加；能積累更多的載流子，結電容也随之增加。
功率二極管
功率二極管屬于不可控電力電子器件，是20世紀最早得以應用的電力電子器件，它在整流，逆變等領域都發揮着重要的作用。
相比PN結型二極管，其中間多了一個輕摻雜的N-區以提高反向耐壓能力。因N-濃度接近本征半導體，也稱其為PIN二極管。
與普通二極管符号一緻，包含兩個電氣連接配接端子：陽極A和陰極K。A正K負為正偏，反之為反偏。
分析一個電力電子器件的特性包含靜态特性（伏安特性）和動态特性（開關特性）。
靜态特性是指器件在導通或關斷的狀态下，其電壓與電流的對應關系，靜态過程展現器件最基本的電壓和電流穩态特性。
動态特性是指器件在開或關過程中，其電壓，電流随時間的對應關系，動态過程可伴随電壓或電流的産生，且電壓電流均可不為0，導緻開關損耗。
回顧通用二極管的靜态特性伏安曲線如下圖，可分正向和反向偏置電壓作用曲線。
先來看一下二極管承受反偏電壓的情況，如下圖少子引起微小且數值恒定的飽和電流，到達反向擊穿電壓VB後，反向電流急劇增加，處于反向擊穿狀态。結溫升高，反向飽和電流增加，反向擊穿電壓減小。
反向偏置下的靜态特性參數：
1）VRDC直流阻斷電壓：在器件上能施加的最大直流電壓；
2）VRRM反向可重複峰值電壓：在器件上可周期性出現的反向電壓的最大允許值；
3）VRSM反向不可重複峰值電壓：不能重複出現的瞬時反向電壓的最大允許值；
4）iR反向飽和電流：器件上施加額定反向電壓以下時的漏電流。
再來看一下正向偏置的情況。
正向電壓從0開始升高，耗盡層逐漸變窄，到達門檻電壓VTO後，正向電流開始明顯增加，處于穩定導通狀态。iF為正向電流，VAK為正向壓降。
穩定導通的斜率的倒數為斜坡電阻rT。結溫升高，門檻電壓降低，導通壓降減小。
可以看到rT是最先開始是比較小的，後面逐漸增大，這就代表電流電壓變化導電率是由小變大的，這也就是電導調制效應。
正向偏置下的靜态特性參數：
1）IFRMS導通有效電流：導通時器件能流過的最大電流有效值；
2）IFAVM導通平均電流：導通時器件能流過的最大電流平均值；
3）IFSM正向浪湧電流：允許流過的最大的瞬時電流；
4）∫i2dt浪湧電流積分：浪湧電流平方的積分值，機關A2s。代表浪湧發熱損耗；
5）VF導通壓降：導通時器件上的壓降；
6）VTO門檻電壓：器件穩定導通的最低電壓值；
7）Tvj_max最高工作結溫：PN結在不損壞前提下最高工作溫度。
接下來我們以一個測試電路來分析功率二極管的動态特性。
如上圖，兩電源S1和S2極性相反，一頭與二極管D1共陰極，另一頭分别接單刀雙擲開關SPDT的兩個觸點。
SPDT閉合觸點1時，二極管正偏，電阻R模拟負載限流，電感L模拟電力電子變換器中的濾波和限流電感。SPDT閉合觸點2時，二極管反偏。
先來看一下SPDT閉合觸點1時，二極管正偏導通的情況。
流過功率二極管的電流逐漸上升，直到穩态，其上升的斜率和電感有關。功率二極管的正向壓降會先出現一個過沖VFP，該電壓與電感有關，經過一段時間才逐漸趨于穩态壓降的某個值。
出現過沖的原因類似感性機制，電流增加，二極管的電阻率下降，等效電阻下降，二極管的壓降也會下降。正向電壓從0開始經峰值電壓VFP再降到穩态電壓VF所需要的時間稱為tfr。
再來看一下SPDT從閉合觸點1切到閉合觸點0時，二極管反偏關斷的情況。
外部電壓反偏，二極管電流下降。電流不會停止在0，需要經過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷的能力（該階段在反偏電壓電場作用下重建立立空間電荷區），進入截止狀态，往負方向增長到Irr，稱為反向恢複電流峰值，其值可與IF相當。
在二極管電流達到反向恢複電流峰值前，二極管兩端的管内壓降在其穩态值不會明顯變化，在開始建構空間電荷區後，管内壓降逐漸減小到穩定。
若反向電流下降太快（緩沖因子S=tf/td較小），則在Irr之後，電路雜散電感可能會導緻器件上較危險的反向過電壓Vrr。
在tf期間，器件中同時存在大電流和電壓，可能導緻總功率損耗顯著增加。電流反向區間被稱為反向恢複電荷Qrr。
動态特性參數：
1）VFP導通暫态峰值電壓
2）tfr正向恢複時間
3）Irr反向恢複電流峰值
4）Qrr反向恢複電荷
5）trr反向恢複時間
受目前半導體實體學和工藝影響，上述功率二極管靜态特性和動态特性并不理想。是以在實際生産中隻能按照不同的性能參數制造，以滿足不同的應用場合。
我們把緩沖因子S>1的稱為軟恢複。Trr較小的為超快恢複。正常恢複或軟恢複的功率二極管，總恢複時間trr通常為us級，通常用于工頻整流，也被稱為整流二極管。
trr小于1us的為快恢複二極管，超快恢複二極管則小于100ns，通常與DC/AC變換器的開關配套使用，稱為續流二極管，使DC/AC變換器帶感性負載能正常運作。
這裡介紹一下肖特基二極管，是由金屬和N型半導體組成，隻有多數載流子參與到點，基本上沒有恢複電荷，具有較低的正向導通電壓VF，缺點是隻限于低電壓使用（<200V）。
在肖特基二極管中，貴金屬（鉑金鎢、钼、金等）取代了P型半導體。
當金屬與N型半導體結合時，由于貴金屬中僅有極少量的自由電子，自由電子便從濃度高的N型半導體向濃度低的貴金屬中擴散，形成M-S結，也稱為肖特基勢壘。
金屬中沒有少子（空穴），當反向偏壓時，二極管的導通很快就會停止。
各種二極管以表格形式列出關鍵參數如下表。