半导体科学与技术-功率半导体器件的研究与发展

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1、功率半导体器件与功率集成电路张波，李肇基电子科技大学微电子与固体电子学院，四川，成都，610054功率半导体器件（PowerSemiconductorDevices）在国内又常被称为电力电子器件，这是因为早期的功率半导体器件如大功率二极管、晶闸管等主要应用于工业和电力系统。而随着以功率MOS器件为代表的新型功率半导体器件的迅速发展，目前以计算机、通讯、消费类产品和汽车电子为代表的4C市场占据了三分之二以上的功率半导体应用市场，功率管理集成电路（PowerManagementIC，也称为电源管理I

2、C）成为目前功率半导体器件的热点与快速发展领域。因此采用“功率半导体器件”这样一个术语较“电力电子器件”更准确并更具时代意义。一、功率半导体器件的定义与发展简史功率半导体器件可定义为进行功率处理的半导体器件。典型的功率处理功能包括变频、变压、变流、功率放大、功率管理等。图1给出了功率半导体器件的分类。功率半导体器件包括功率（分立）器件（DiscretePowerDevices）和功率集成电路。功率（分立）器件由功率二极管（Power功率二极管功率MOS器件功率（分立）器件功率晶体管绝缘栅双极晶体

3、管IGBT功率双极晶体管功率开关器件功率半导体器件晶闸管类器件功率集成电路图1功率半导体器件分类1Rectifiers）、功率晶体管（PowerTransistors）和晶闸管类器件（Thyristors）组成，其中常见的功率晶体管包括以VDMOS（VerticalDouble-DiffusionMOSFET）为代表的功率MOS器件（PowerMOSFETs）、绝缘栅双极晶体管IGBT（InsulatedGateBipolarTransistors）和功率双极晶体管（PowerBipolarTr

4、ansistors或PowerBJT：PowerBipolarJunctionTransistors）。功率晶体管和晶闸管又可统称为功率开关器件（PowerSwitches）。功率集成电路（PIC：PowerIC）在国际上又常被称为智能功率集成电路（SPIC：SmartPowerIC，国内又有人称之为灵巧功率集成电路）或高压集成电路（HVIC：HighVoltageIC）。从应用的角度出发，美国CREDITSUISSEFIRSTBOSTONCORPORATION将功率集成电路分为运动控制IC（M

5、otionControlICs）、电源管理IC（PowerManagementICs）和智能功率IC（SmartPowerICs）三类。其中运动控制IC主要用于电机设备的驱动和控制；电源管理IC主要用于电源的转换和调节；智能功率IC则是除上述两种应用之外，集功率晶体管、控制电路和保护电路于一体的功率集成电路。二十世纪八十年代之前的功率半导体器件主要是功率二极管、可控硅整流器（SCR）和功率双极晶体管。除功率双极晶体管中部分功率不大的晶体管可工作至微波波段外，其余的功率半导体器件都是低频器件，一般

6、工作在几十至几百赫兹，少数可达几千赫兹。然而，功率电路在更高频率下工作时将凸显许多优点，例如高效、节能、减小设备体积与重量，节约原材料等。因此在二十世纪八十年代发生了“20kHz革命”，即功率半导体电路中的工作频率提高到20kHz以上。这时传统的功率半导体器件如SCR和GTR（巨型晶体管或称为电力晶体管）等因速度慢、功耗大而不再适用，以VDMOS和IGBT为代表的新一代功率半导体器件因此应运而生。新一代功率半导体器件除具有高频（相对于传统功率器件而言）工作的特点外还都是电压控制器件，因而使驱动电

7、路简单，逐渐成为功率半导体器件的主流和发展方向，在国际上被称为现代功率半导体器件（ModernPowerSemiconductorDevices）。2现代功率半导体器件的制造技术与超大规模集成电路一样都是以微细加工和MOS工艺为基础，因而为功率半导体的集成化、智能化和单片系统化提供了可能，进而促进了将功率半导体器件与其驱动和控制电路、过压、过流、过温等传感与保护电路等集成于同一芯片的单片功率集成电路的迅速发展。1955年，Philips研究室的Lely首先在实验室用升华法成功制备了SiC单晶，S

8、iC功率器件从二十世纪七十年代开始得到发展，得益于八十年代SiC单晶质量和制造工艺的改善，各种SiC功率器件在二十世纪九十年代得到快速发展，特别是九十年代后半期以来，伴随着SiC材料制备、制造工艺与器件物理的迅速发展，以SiC器件为代表的宽带半导体器件与Si基功率器件共同成为目前功率半导体器[1]件的重要发展领域。下面依据图1的分类，分别就各种功率半导体器件的发展做介绍。二、功率半导体器件的研究与发展1、功率二极管功率二极管是功率半导体器件的重要分支。目前商业化的功率二极管主要是[2]PiN功率