碳排放走向碳中和，新能源汽車興起，市場上對功率元器件需求猛增。

據(jù)英國調(diào)查公司Omdia的數(shù)據(jù)顯示，2020年世界功率半導(dǎo)體市場規(guī)模約合145億美元，預(yù)計到2024年將增至約173億美元，同比增長約19％。

隨著第三代半導(dǎo)體的崛起，功率半導(dǎo)體已經(jīng)成為新風(fēng)口，關(guān)于功率半導(dǎo)體分立器件的基礎(chǔ)知識確定不了解一下嗎？

作為電子系統(tǒng)中的最基本單元，功率半導(dǎo)體器件在包括汽車電子、消費電子、網(wǎng)絡(luò)通信、電子設(shè)備、航空航天、武器裝備、儀器儀表、工業(yè)自動化、醫(yī)療電子等各行業(yè)都起著至關(guān)重要的作用，被譽為“節(jié)能的幕后英雄”。

功率半導(dǎo)體分立器件怎么定義

功率半導(dǎo)體器件（Power Electronic Device）又稱為電力電子器件和功率電子器件，是指可直接用于處理電能的主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件，其作用主要分為功率轉(zhuǎn)換、功率放大、功率開關(guān)、線路保護和整流等。

功率半導(dǎo)體大致可分為功率半導(dǎo)體分立器件（Power Discrete，包括功率模塊）和功率半導(dǎo)體集成電路（Power IC）兩大類，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。其中，功率半導(dǎo)體分立器件是指被規(guī)定完成某種基本功能，并且本身在功能上不能再細分的半導(dǎo)體器件。

1957年美國通用電氣公司（GE）研制出世界上第一只工業(yè)用普通晶閘管(Thyristor)，標(biāo)志了功率半導(dǎo)體分立器件的誕生。功率半導(dǎo)體分立器件的發(fā)展經(jīng)歷了以晶閘管為核心的第一階段、以MOSFET和IGBT為代表的第二階段，現(xiàn)在正在進入以寬禁帶半導(dǎo)體器件為核心的新發(fā)展階段。

功率半導(dǎo)體分立器件怎么分類

? 按照器件結(jié)構(gòu)，分為二極管、功率晶體管、晶閘管等，其中功率晶體管分為雙極性結(jié)型晶體管（BJT）、結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）、金屬氧化物場效應(yīng)晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等。

? 按照功率處理能力，分為低壓小功率半導(dǎo)體分立器件、中功率半導(dǎo)體分立器件、大功率半導(dǎo)體分立器件和高壓特大功率半導(dǎo)體分立器件。

? 按照驅(qū)動電路加在器件控制端和公共端之間信號的性質(zhì)， (除功率二極管外)可分為電流驅(qū)動型與電壓驅(qū)動型。

• 電流驅(qū)動型：通過從控制端注入或抽出電流實現(xiàn)其關(guān)斷的功率半導(dǎo)體分立器件。

• 電壓驅(qū)動型：通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號實現(xiàn)導(dǎo)通或關(guān)斷的功率半導(dǎo)體器件。

? 按照控制電路信號對器件的控制程度，可分為不可控型、半控型和全控型。

• 不可控器件：不能通過控制信號來控制其通斷的功率半導(dǎo)體分立器件，代表器件為功率二極管；

• 半控器件：通過控制信號能夠控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷的功率半導(dǎo)體分立器件，代表器件為晶閘管及其大部分派生器件；

• 全控器件：通過控制信號既能夠控制其導(dǎo)通，又能夠控制其關(guān)斷的功率半導(dǎo)體分立器件，代表器件有絕緣柵雙極晶體管、功率場效應(yīng)晶體管、門極可關(guān)斷晶閘管等；

? 按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況，可分為單極型器件、雙極型器件和復(fù)合型器件。

• 單極型器件：有一種載流子（電子或空穴）參與導(dǎo)電的功率半導(dǎo)體分立器件；

• 雙極型器件：由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的功率半導(dǎo)體分立器件；

• 復(fù)合型器件：由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的功率半導(dǎo)體分立器件；

? 按照功率半導(dǎo)體器件襯底材料的不同，現(xiàn)有的功率半導(dǎo)體分立器件的材料可分為三代：

• 第一代半導(dǎo)體材料主要是以鍺（早期產(chǎn)品，現(xiàn)已不常見）和硅為代表。

• 第二代半導(dǎo)體材料主要是以砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）為代表的化合物半導(dǎo)體材料。

• 第三代半導(dǎo)體材料主要是以即碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料。（詳見之前推文：寬禁帶半導(dǎo)體：顛覆者還是攪局者？）

功率半導(dǎo)體分立器件用在哪里

功率半導(dǎo)體分立器件的應(yīng)用十分廣泛，幾乎覆蓋了所有的電子制造業(yè)，傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域包括消費電子、網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)電機等。近年來，新能源汽車及充電系統(tǒng)、軌道交通、智能電網(wǎng)、新能源發(fā)電、航空航天及武器裝備等也逐漸成為了功率半導(dǎo)體分立器件的新興應(yīng)用領(lǐng)域。

? 消費電子：用于各種電子裝置的電源及充電系統(tǒng)、功率半導(dǎo)體照明電源、家用電器變頻器等。

? 工業(yè)電機：工業(yè)中需大量應(yīng)用交直流電機，為其供電的可控整流電源或直流斬波電源、電機的變頻驅(qū)動系統(tǒng)的核心器件。

? 汽車電子及充電系統(tǒng)：傳統(tǒng)汽車的電源、照明等系統(tǒng)；新能源汽車的充電樁(器)、變流器、逆變器等應(yīng)用。

? 軌道交通：直流機車中的整流裝置，交流機車中的變頻裝置，高鐵、動車、磁懸浮列車等軌道交通的直流斬波器，新能源汽車的電力變換系統(tǒng)、驅(qū)動控制系統(tǒng)與電池充電系統(tǒng)，以及各種車輛、飛機、船舶中的電源系統(tǒng)。

? 智能電網(wǎng)：智能電網(wǎng)電力傳輸中的直流輸電、柔性交流輸電、無功補償技術(shù)、諧波抑制技術(shù)以及防止電網(wǎng)瞬時停電、瞬時電壓跌落、閃變等提高供電質(zhì)量的技術(shù)。

? 新能源發(fā)電：光伏逆變、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、地?zé)崮馨l(fā)電、生物能和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器、變流器等裝置中。

? 航空航天：第三代半導(dǎo)體器件超強的抗輻照能力，在航空航天方面有著絕對的應(yīng)用優(yōu)勢。

? 武器裝備：電磁打火裝置，遠程導(dǎo)彈、雷達、電磁彈射系統(tǒng)的電源系統(tǒng)中。


功率半導(dǎo)體分立器件關(guān)鍵工藝

功率半導(dǎo)體分立器件的主要工藝流程包括：在硅圓片上加工芯片（主要流程為薄膜制造、曝光和刻蝕），進行芯片封裝，對加工完畢的芯片進行技術(shù)性能指標(biāo)測試，其中主要生產(chǎn)工藝有外延工藝、光刻工藝、刻蝕工藝、離子注入工藝和擴散工藝等。

? 外延工藝技術(shù)對于Si功率半導(dǎo)體器件，外延工藝是根據(jù)不同硅源（SiH2CL2、SiHCL3、SiCL4），在1100-1180°C溫度下在硅片表面再長一層或多層本征（不摻雜）、N型（摻PH3）或P型（摻B2H6）的單晶硅，并且，要將硅層的厚度和電阻率、厚度和電阻率的均勻性、表面的缺陷控制在允許范圍內(nèi)。

對于SiC功率半導(dǎo)體器件，生長出低缺陷密度的單晶十分困難，因SiC襯底晶體生長需在2300°C的溫度下進行，需在H2保護氣氛下，用SiH4和CH4或C3H8作為反應(yīng)氣體，其生長速率一般每小時只有幾微米，且仍存在SiC襯底中的晶體缺陷擴展到外延層的問題，因而SiC晶片成本特別是高質(zhì)量大面積的SiC晶片成本遠高于Si晶片。

? 光刻工藝技術(shù)光刻工藝是將掩膜（光刻板）圖形轉(zhuǎn)移到襯底表面的光刻膠上形成產(chǎn)品所需要圖形的工藝技術(shù)，光刻機的精度一般是指光刻時所得到的光刻圖形的最小尺寸。分辨率越高,就能得到越細的線條，集成度也越高。

? 刻蝕工藝技術(shù)刻蝕是用物理或化學(xué)的方法有選擇地從硅片表面去除不需要的材料的過程，刻蝕的基本作用是準(zhǔn)確地復(fù)制掩膜圖形，以保證生產(chǎn)線中各種工藝正常進行。包括濕法刻蝕、干法刻蝕及等離子增強反應(yīng)離子刻蝕、電子回旋共振刻蝕（ECR）、感應(yīng)耦合等離子體刻蝕（ICP）等其他先進蝕刻技術(shù)。

? 離子注入工藝技術(shù)離子注入是通過高技術(shù)設(shè)備將器件需要的摻雜元素注入到硅片中。

? 擴散工藝技術(shù)半導(dǎo)體摻雜工藝的主要目的在于控制半導(dǎo)體中特定區(qū)域內(nèi)雜質(zhì)的類型、濃度、深度和PN結(jié)。擴散技術(shù)是實現(xiàn)這一目的的簡單而方便的途徑。

功率半導(dǎo)體分立器件的家庭成員

? 功率二極管

PIN二極管：大多數(shù)功率二極管主要是依靠PN結(jié)的單向?qū)щ娫砉ぷ鞯模哂袠O低的通態(tài)電阻，稱為PIN二極管。從應(yīng)用的角度，PIN二極管可以分成整流二極管與快恢復(fù)二極管。

肖特基二極管：肖特基二極管是單極器件，利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成的金屬-半導(dǎo)體結(jié)作為肖特基勢壘，以產(chǎn)生整流的效果，在中、高等功率領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。

? 晶閘管晶閘管通常稱為可控硅，是一種半控整流器件，體積小、無加熱燈絲、壽命長、可靠性高、價格便宜，多應(yīng)用在電機驅(qū)動控制、高壓直流輸電(HVDC)、動態(tài)無功功率補償、超大電流電解等場合。

? 晶體管晶體管是能夠提供電功率放大并具有三個或更多電極的一種半導(dǎo)體器件。

按照主要用途，分為兩大類：開關(guān)管和放大管。開關(guān)管工作在截止區(qū)和飽和區(qū)，多用于數(shù)字電路，實現(xiàn)邏輯功能；放大管一般工作在線性區(qū)附近，應(yīng)用于模擬電路，實現(xiàn)信號或功率放大。

按照主要工藝，分為雙極晶體管和場效應(yīng)晶體管。雙極晶體管屬于流控器件，響應(yīng)速度快，驅(qū)動能力強；場效應(yīng)管屬于壓控器件，輸入阻抗高，功率消耗相對較低。

• 雙極晶體管是至少具有兩個結(jié)，其功能依賴于多數(shù)載流子和少數(shù)載流子的一種晶體管。

• 場效應(yīng)晶體管是其流過導(dǎo)電溝道的電流受施加在柵源引出端間的電壓產(chǎn)生的電場所控制的一種晶體管。場效應(yīng)晶體管主要可以分為：結(jié)柵場效應(yīng)晶體管(JFET)，金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET)和金屬—絕緣體—半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MISFET)。

• 絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)絕緣柵雙極型晶體管IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的功率半導(dǎo)體分立器件，它的控制極為絕緣柵場效應(yīng)晶體管，輸出極為雙極型功率晶體管，因而兼有兩者速度和驅(qū)動能力的優(yōu)點，克服了兩者的缺點。目前耐壓達5kV甚至更高，電流達1.2kA。

? 功率半導(dǎo)體分立器件模塊分立器件功率模塊是由兩個或兩個以上半導(dǎo)體分立器件芯片按一定電路連接并安裝在陶瓷基覆銅板(DCB)上，用彈性硅凝膠等保護材料密封在一個絕緣外殼內(nèi)或采用塑料封裝，實現(xiàn)半導(dǎo)體分立器件功能的模塊。主要應(yīng)用于高壓大電流場合，如智能電網(wǎng)、高鐵/動車組等。

??寬禁帶功率半導(dǎo)體器件SiC功率半導(dǎo)體器件包括SiC功率二極管、SiC JFET、SiC MOSFET、SiC IGBT、SiC功率模塊。

GaN功率半導(dǎo)體器件包括GaNHEMT基于GaN半導(dǎo)體材料制作的高電子遷移率晶體管，GaN二極管。

下期，我們將為大家普及功率半導(dǎo)體分立器件發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，敬請期待！