????????導語--前面我們花了十篇文章介紹了半導體的基本原理，及其最重要的一個分類集成電路的知識。我們已經(jīng)知道半導體除了集成電路外，還有分立器件、光電子器件和傳感器三個重要分類。這篇文章我們將通過一篇文章攻克與集成電路密切相關的分立器件這一重要半導體子行業(yè)的知識城堡，我們出發(fā)吧。

????????什么是分立器件呢？分立器件的“分立”一詞是相對集成電路而言的，分立器件是單一的一個器件，具有單一的基本功能，分立器件可以說是集成電路的“始祖”，第一個二極管出現(xiàn)于1947年，比最早的集成電路早大約10年時間。集成電路是將大量電子元件包括分立器件集成于一塊晶片上形成的，如果說集成電路是將成千上萬個PN結集成到一塊晶片上，而分立器件則只在晶片上形成一個或少量的PN結，實現(xiàn)一些相對簡單的功能。

????????芯片的集成帶來了更高的性能，如邏輯芯片的制程不斷提高使得算力不斷增強，但對于一些特定功能，如開關、整流、穩(wěn)壓等有要求的半導體產(chǎn)品，出于集成難度、穩(wěn)定性與成本的考慮，對制程的追求并不強烈，于是以最初的形式保留，這就是分立器件的由來。有一種說法是在分立器件的發(fā)展過程中，隨著半導體制造技術的發(fā)展，適合集成在芯片之中的分立器件演化為集成電路，而一些不適合集成于芯片之中或者即便適合但仍可單的則還是以分立器件的形式保留至今。我認為這種說法并不準確，比如人們熟知的二極管、三極管、晶體管、MOSFET（金氧半場效晶體管）與IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）都屬于分立器件，他們也是集成電路的主要“集成對象”，因此并沒有適不適合集成之說，而是出于實際應用的系統(tǒng)需要不同“集成度”的器件。

????????分立器件依據(jù)功率的標準可細分為功率器件與小信號器件，廣泛運用于整流、穩(wěn)壓、保護、開關等功能，市場份額約占半導體總市場份額的5%。此外，值得注意的是，由于分立器件中的功率器件與之前講到的模擬芯片中的電源管理芯片功能相似，本質(zhì)上兩者都是通過利用半導體的單向?qū)щ娦詫崿F(xiàn)電源開關和電力轉(zhuǎn)換的功能，電源管理芯片也可稱之為功率IC（也有人認為電源管理芯片是功率IC的最大分類，在我們的分類中，電源管理芯片已經(jīng)包含功率IC的所有細分品類，故我們所說的電源管理芯片即是功率IC）。我們通常所說的功率半導體即是功率器件與功率IC的合集。功率半導體可與電容、電阻、電感、互感線圈等一起組成了以下各類電能轉(zhuǎn)換設備，用以對電路中電壓、電流、頻率進行管理。由于小信號器件市場份額的占比較小，因此未來我們開啟行業(yè)深度的系列文章時，將會把功率器件（延伸到功率模組如IGBT模組、智能功率模塊IPM等）與功率IC作為功率半導體進行統(tǒng)一研究。接下來我們將分別介紹分立器件的兩個細分行業(yè)，小信號器件與功率器件：

????? ??小信號器件，又稱小功率半導體器件，指額定電流低于1A或額定功率低于1W的半導體分立器件。小信號器件可進一步細分為分為小信號二極管與小信號三極管。小信號二極管可以進一步細分為小信號開關二極管、小信號肖特基二極管、小信號穩(wěn)壓二極管、ESD（Electro-Static discharge，釋放靜電）。小信號三極管可進一步細分為普通小信號三極管、小信號MOSFET。其作用總結為下表：

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????????小信號器件額定功率低，可以滿足小電流電路的功能需求，將其與電阻、電容、電感等多種元器件進行合理的組合連接，可構成具有不同功能的電路，這些電路可實現(xiàn)對電路的開閉控制與續(xù)流，對調(diào)制信號的檢波、限幅、鉗位，對電路的穩(wěn)壓及脈沖、靜電保護等多種功能。由于小信號器件額定電流低，通常不會應用于一次電源與二次電源間的整流轉(zhuǎn)換，大多數(shù)應用場景集中于二次電源對電路中各并聯(lián)功能模塊的供電過程。我們在此簡單解釋一下上面所說的一些術語，這在下述功率器件的理解也很有幫助。

????????續(xù)流：當電路中有電感線圈時，變化的電流流過線圈會產(chǎn)生感應電動勢。當電流消失時，線圈的感應電動勢會對電路中的元件產(chǎn)生反向電壓，當其高于元器件的擊穿電壓時會把元器件如三極管擊穿造成損壞。此時需要續(xù)流二極管并聯(lián)在線圈兩端，當有反向感應電動勢時通過二極管和線圈構成的回路做功將其消耗掉，從而保護其他元器件的安全，此謂之續(xù)流。

????????檢波、限幅：檢波也稱解調(diào)，利用二極管的單向?qū)щ娦詫⒏哳l或中頻無線電信號中的低頻信號或音頻信號取出來。限制輸出電壓的幅度成為限幅。

????????鉗位、隔離：鉗位是利用二極管的穩(wěn)定的正向壓降或穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定的反向擊穿電壓參數(shù)，將電路上的信號電平控制在預期的范圍內(nèi)，超過范圍的信號將被丟棄。當二極管加反向電壓時，二極管截止，相當于斷路，陽極與陰極被隔離，稱之為二極管的隔離作用。

????????功率器件是電力控制的核心器件，經(jīng)歷70余年的發(fā)展后，功率器件家族不斷壯大。20 世紀 40 年代，功率器件以二極管為主，主要產(chǎn)品是肖特基二極管、快恢復二極管等；晶閘管出現(xiàn)于 1958 年，興盛于六七十年代；近 20 年來各個領域?qū)β势骷碾妷汉皖l率要求越來越嚴格， MOSFET 和 IGBT 逐漸成為主流，多個 IGBT可以集成為 IPM 模塊，用于大電流和大電壓的環(huán)境。

????????功率器件可依據(jù)兩種方法分類。一是根據(jù)可控性進行分類，第一類是不可控型功率器件，其開通和關斷都不能通過器件本身進行控制，主要是二極管；第二類是半控型功率器件，其開通可控而關斷不可控，主要是晶閘管（ SCR）及其派生器件；第三類是全控型器件，其控制端不僅可以控制開通，也能控制關斷，主要為晶體管。二是根據(jù)控制形式進行分類，也可分為三類，第一類是電流控制型，第二類是電壓控制型，第三類是其他控制型，如光控、溫控等。

????????根據(jù)控制形式劃分的電流控制型主要包括晶閘管、雙極型晶體管等；電壓控制型主要包括MOSFET、IGBT等；其他控制型主要包括光控晶閘管、溫控晶閘管等。相比之下，電壓控制型器件的導通和關斷只需要一定的電壓和很小的驅(qū)動電流，因此器件的驅(qū)動功率很小，驅(qū)動電路比較簡單，是功率器件中占比最大的細分品類。下面我們將主要根據(jù)可控性的劃分對功率器件做一個簡單的梳理。

????? ?1.??不可控型，主要是二極管，其基本原理我們在本系列第三篇文章半導體系列3-半導體基礎器件的基本原理中已有介紹，在此我們主要介紹一下其基本的分類。二極管按照材料可分為鍺二極管、硅二極管和砷化鎵二極管；按管芯工藝可分為面接觸二極管和點接觸二極管；按結構可分為半導體結型二極管和金屬半導體接觸二極管；按封裝形式可分為常規(guī)封裝二極管和特殊封裝二極管；在這里我們將采用按用途劃分的方式對二極管做一個簡單介紹，包括：

????? ?（1）?普通二極管，即普通硅二極管，是二極管中最常見的類型，其耐壓可以做得較高，但是它的恢復速度低，只能用在低頻的整流上，如果是用在高頻場景就會因為無法快速恢復而發(fā)生反向漏電，最后導致管子嚴重發(fā)熱燒毀。

????????（2）FRD，F(xiàn)ast Recovery Diode，快恢復二極管，是一種開關特性好、反向恢復時間短的二極管。這里的反向恢復指的是普通二極管電流由于電荷存儲效應，當正向偏壓變成反向時，不會馬上截止，而是先反向上升一段時間ts，再經(jīng)過tf下降時間至接近0，trr=ts+tf是二極管的反向恢復時間，見IGBT不得不知道之——FRD，F(xiàn)RD的快恢復指的就是trr比較小。FRD主要應用于開關電源、PWM脈寬調(diào)制器、變頻器等電路中，作為高頻整流、續(xù)流二極管或阻尼二極管使用。

????? ? （3）TVS，Transient Voltage Suppressor，瞬態(tài)電壓抑制二極管，是在穩(wěn)壓二極管工藝上發(fā)展起來的器件。TVS是普遍使用的一種新型高效電路保護器件，它具有極快的響應時間（亞納秒級）和相當高的浪涌吸收能力。當其兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時，它能以極高的速度（最高達1*10^-12秒）使其阻抗驟然降低，同時吸收一個大電流，將其兩端間的電壓箝位在一個預定的數(shù)值上，從而確保后面的電路元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞。

???????（4）?穩(wěn)壓二極管又名齊納二極管（Zener Diode），是利用硅二極管反向擊穿特性來穩(wěn)定直流電壓的，即在反向擊穿時，通過它的電流盡管在很大范圍內(nèi)改變，但其兩端的電壓幾乎不變。 穩(wěn)壓二極管的正向特性與普通二極管相同，而反向特性卻比較特殊：當反向電壓加到一定程度時，雖然管子呈現(xiàn)擊穿狀態(tài)，通過較大電流，卻不損毀，并且這種現(xiàn)象的重復性很好。它是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導體器件，在臨界擊穿點上，反向電阻降低到一個很小的數(shù)值，在這個低阻區(qū)中電流增加而電壓則保持恒定。穩(wěn)壓二極管是根據(jù)擊穿電壓來分檔的，因為這種特性，穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準元件使用。它也可以串聯(lián)起來以便在較高的電壓上使用，通過串聯(lián)就可獲得更高的穩(wěn)定電壓。

????????（5）SBD，Schottky Barrier Diode，肖特基二極管，是以其發(fā)明人肖特基博士（Schottky）命名的。SBD不是利用P型半導體與N型半導體接觸形成PN結原理制作的，而是利用金屬與半導體接觸形成的金屬－半導體結原理制作的。因此，SBD也稱為金屬－半導體（接觸）二極管或表面勢壘二極管，它是一種熱載流子二極管。SBD具有開關頻率高和正向壓降低等優(yōu)點，但其反向擊穿電壓比較低，大多不高于60V，最高僅約100V，以致于限制了其應用范圍。

注釋：TVS、穩(wěn)壓二極管和SBD的區(qū)別，簡單的說，TVS管用戶保護電路瞬間的大電壓，電路可以通過TVS泄放很大的電流從而保護電路，相當于電路的保險絲，一般工作時不會頻發(fā)的觸發(fā)到反向擊穿狀態(tài)。穩(wěn)壓二極管正常工作時總是工作在反向擊穿狀態(tài)，利用反向擊穿狀態(tài)的特性，在電流變化較大時，穩(wěn)定電壓。肖特基二極管主要用作于續(xù)流二極管（通常與儲能器件配合使用，泄放儲能器件的能量）、整流二極管等。見TVS管、穩(wěn)壓管、肖特基二極管。

????????（6）雙向觸發(fā)二極管，是一種硅雙向電壓觸發(fā)開關器件，當雙向觸發(fā)二極管兩端施加的電壓超過其擊穿電壓時，兩端即導通，導通將持續(xù)到電流中斷或降到器件的最小保持電流后才會再次關斷。

????????（7）敏感類二極管，包括光敏二極管、溫敏二極管、磁敏二極管、壓敏二極管等。光敏二極管又叫光電二極管（photodiode ）是一種能夠?qū)⒐廪D(zhuǎn)換成電流或者電壓信號的光探測器。管芯常使用一個具有光敏特征的PN結，對光的變化非常敏感，具有單向?qū)щ娦?，而且光強不同的時候會改變電學特性，因此，可以利用光照強弱來改變電路中的電流。其他敏感類二極管的原理類似。在此我們需要補充一點，光敏二極管、以及后面所要介紹的光控晶閘管、光敏三極管、LED，與光敏電阻等一起統(tǒng)稱為光電器件，光電器件是分立器件的一大分支，然而世界半導體貿(mào)易協(xié)會（WSTS）將其單列為光電子器件分類，在本篇文章為保持完整性，對光敏器件作原理性介紹，但實際上在市場規(guī)模等要素的劃分及行業(yè)研究時，我們?nèi)詫⑵渥鳛楣怆娮悠骷瘟袨橐活悺?/span>

????? ?（8）?其他，如LED等，未來如果我們對LED行業(yè)進行研究時再詳細討論。

????????2.半可控型，主要是晶閘管及其派生器件。晶閘管也叫可控硅，它由四層半導體疊壓而成，分別為P–N–P–N，形成三個PN結，共有三個電極，分別為陽極(a)、陰極(k)和門極(g)。因為它可以像閘門一樣控制電流，所以稱之為“晶體閘流管”。晶體閘流管是最常用的功率型半導體控制器件之一，具有廣泛的用途。我們以單向晶閘管為例簡單介紹其工作原理。

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????????如上圖所示可將晶閘管等效看成由PNP和NPN兩個三極管連接而成，一個三極管的基極和另外一個三極管的集電極相連，陽極（A）相當于PNP的發(fā)射極，陰極（K）相當于NPN的發(fā)射極。在陽極A和陰極K之間加正向電壓（組成主電路），同時在控制極G和陰極K也加正向電壓時（組成控制電路），則可以導通晶閘管。晶閘管的控制極的作用只是使晶閘管導通，而導通后，控制極就失去了作用，所以控制極G也稱為門極。也有“一觸即發(fā)”的特點。

????????晶體閘流管種類和規(guī)格很多，適用于各種不同的場合。按引腳和極性可分為二極晶閘管、三極晶閘管和四極晶閘管；按封裝形式可分為金屬封裝、塑封和陶瓷封裝晶閘管三種類型；按電流容量可分為大功率晶閘管、中功率晶閘管和小功率晶閘管三種；按關斷速度可分為普通晶閘管和快速晶閘管。接下來我們將根據(jù)另一種分類方式，即按控制特性的不同對晶閘管做一個簡單的介紹：

????????（1）單向晶閘管，SCR，Silicon-Controled Rectifier，是指觸發(fā)后只允許一個方向的電流流過的半導體器件，相當于一個可控的整流二極管。上面我們已經(jīng)講過它的結構和原理，SCR被廣泛應用于可控整流、交流調(diào)壓、逆變器和開關電源電路中。

????????（2）雙向晶閘管，TRIAC，TRIode AC switch，是SCR的衍生器件，是由N-P-N-P-N五層組成，對外也引出三個電極。雙向晶閘管相當于兩個單向晶閘管的反向并聯(lián)，但只有一個控制極。雙向晶閘管與單向晶閘管一樣，也具有觸發(fā)控制特性，但其觸發(fā)控制特性與單向晶閘管有很大不同，這就是無論在陽極和陰極間接入何種極性的電壓，只要在它的控制極上加上一個觸發(fā)脈沖，也不管這個脈沖是什么極性的，都可以使雙向晶閘管導通。盡管從形式上可將雙向晶閘管看成兩只普通晶閘管的組合，但實際上它是由7只晶體管和多只電阻構成的功率集成器件。

????????（3）逆導晶閘管，RTC，Reverse-Conducting Thyristor，即反向?qū)ňчl管，是一種將普通晶閘管與一個反并聯(lián)二極管集成同一個管芯上的電力半導體器件。其特點是在晶閘管的陽極與陰極之間反向并聯(lián)一只二極管，由下圖可見，逆導晶閘管的伏安特性具有不對稱性，正向特性與普通晶閘管SCR相同，而反向特性與硅整流管的正向特性相同。

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????? ? （4）光控晶閘管又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號來代替電信號對器件進行觸發(fā)。光控晶閘管的伏安特性和普通晶閘管一樣，只是隨著光照信號變強其正向轉(zhuǎn)折電壓逐漸變低。通常晶閘管有3個電極，控制極G、陽極A和陰極K。由于光控晶閘管的控制信號來自光的照射，沒有必要再引出控制極，所以，只有兩個電極（陽極A和陰極K）。但其結構與普通晶閘管一樣，是由4層PNP型器件構成的。

????????（5）其他類型晶閘管，包括溫控晶閘管等。

????? ? 3.全控型器件，主要包括晶閘管中的GTO，以及晶體管。晶體管是占比最大的功率器件，又可細分為BJT、JFET、MOSFET和IGBT等。BJT、JFET和MOSFET的結構和工作原理我們同樣在本系列第三篇文章半導體系列3-半導體基礎器件的基本原理中有所介紹，想了解的話可以往回翻一翻這篇文章，在此我們不再贅述，只在這里介紹一下GTO和IGBT。

????????GTO，Gate Turm- off Thyristor，門極可關斷晶閘管。GTO的結構及等效電路與普通晶閘管相同，不同點在于GTO是一種多元的功率集成器件，它的內(nèi)部包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小GTO單元。為了實現(xiàn)門極控制關斷，這些小GTO單元的陰極和門極被特別設計成在器件內(nèi)部并聯(lián)。這使得GTO與普通晶閘管有了區(qū)別，普通晶閘管受門極正信號觸發(fā)后，撤掉信號亦能維持通態(tài)。欲使之關斷,必須切斷電源，使正向電流低于維持電流或施以反向電壓強行關斷。這就需要增加換向電路，不僅使設備的體積、重量增大，而且會降低效率，產(chǎn)生波形失真和噪聲。GTO則克服了其上述缺陷，既保留了普通晶閘管耐壓高、電流大等優(yōu)點，又具有自關斷能力，使用方便，是理想的高壓、大電流開關器件。大功率可關斷晶閘管已廣泛用于斬波調(diào)速、變頻調(diào)速、逆變電源等領域。

? ? ? ? IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT雙極型三極管和MOSFET組成的復合全控型電壓驅(qū)動式功率半導體器件, 如下圖，左側(cè)是MOSFET的結構圖（相比于我們在半導體系列3-半導體基礎器件的基本原理中介紹的MOSFET的結構在底部增加了n-和n+兩層，漏極也移到了最下方，這是為了增加MOSFET的抗擊穿能力），右側(cè)是IGBT的結構圖?？梢钥吹絀GBT的結構實際上可以簡單看成MOSFET和BJT的堆疊串聯(lián)，這么做的好處是使得IGBT兼有MOSFET的高輸入阻抗和電力晶體管（Giant Transistor，GTR）的低導通壓降（可簡單理解因為增加了n+/p+層進而增加了載流子濃度）兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大；MOSFET驅(qū)動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。因此IGBT一般用在高壓功率產(chǎn)品上，電壓范圍一般 600V-6500V，如變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域；MOSFET應用電壓則相對較低，從十幾伏到 1000V。

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????????所謂有得必有失，IGBT通過復合的結構獲得了驅(qū)動功率小而飽和壓降低的優(yōu)點，但由于結構相對復雜，這也使得的延遲時間要大于MOSFET，因此IGBT應用在切換頻率低于25kHz的場景，而MOSFET可以應用于切換頻率大于100kHz的場景。

????????至此，我們已經(jīng)對分立器件的圖景有了一個基本的了解。分立器件有如此多的種類，他們在應用中也是互相配合、補充，就像世界杯上的球員一樣，分別扮演著“前鋒”、“中鋒”、“后衛(wèi)”、“守門員”的角色，各司其職組成了一支戰(zhàn)斗力強大的球隊，覆蓋了不同的電壓和頻率區(qū)間。下圖就展示了分立器件這支球隊的強大：

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????????近年來新能源汽車的快速發(fā)展催生出大量對功率器件的需求。新能源汽車相比于傳統(tǒng)燃油車新增了三電系統(tǒng)（電池、電機、電控），進而新增了大量電能轉(zhuǎn)換需求，而這正是功率器件的主戰(zhàn)場。據(jù)統(tǒng)計電動車中的功率器件尤其是MOSFET與IGBT在驅(qū)動控制系統(tǒng)與充電逆變系統(tǒng)中應用廣泛，功率器件價值占到電動汽車半導體價值的50%以上。盡管發(fā)展較快，但功率器件相比集成電路來說壁壘較低一些，因此競爭格局也相對分散一些。

????????下圖展示了功率器件的全球競爭格局，國際大廠整體位于前列，市場份額排名前五的廠商為英飛凌、安森美、意法半導體、三菱與東芝，CR5為43.1%。

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????????從功率器件的兩大細分領域MOSFET和IGBT的情況看，以下兩張圖展示了這兩個細分領域的全球競爭格局。由于MOSFET的技術難度相對二極管較高，因此競爭格局也相對更集中，CR5達到58.4%。國內(nèi)廠商華潤微、聞泰科技、士蘭微均在全球前十大MOSFET廠商之中，三者總計占有9.9%的市場份額。IGBT被稱為電力電子行業(yè)的CPU，其設計難度大于MOSFET與二極管，行業(yè)競爭格局最為集中，以IGBT模組為口徑計算，行業(yè)CR5達到66.7%，國內(nèi)IGBT龍頭為斯達半導，約占2.8%的市場份額。

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