科普｜功率半导体分立器件基础知识了解一下？

碳排放走向碳中和，新能源汽车兴起，市场上对功率元器件需求猛增。

据英国调查公司Omdia的数据显示，2020年世界功率半导体市场规模约合145亿美元，预计到2024年将增至约173亿美元，同比增长约19％。

随着第三代半导体的崛起，功率半导体已经成为新风口，关于功率半导体分立器件的基础知识确定不了解一下吗？

作为电子系统中的最基本单元，功率半导体器件在包括汽车电子、消费电子、网络通信、电子设备、航空航天、武器装备、仪器仪表、工业自动化、医疗电子等各行业都起着至关重要的作用，被誉为“节能的幕后英雄”。

功率半导体分立器件怎么定义

功率半导体器件（Power Electronic Device）又称为电力电子器件和功率电子器件，是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件，其作用主要分为功率转换、功率放大、功率开关、线路保护和整流等。

功率半导体大致可分为功率半导体分立器件（Power Discrete，包括功率模块）和功率半导体集成电路（Power IC）两大类，在半导体产业中的结构关系如图1所示。其中，功率半导体分立器件是指被规定完成某种基本功能，并且本身在功能上不能再细分的半导体器件。

▲图1 半导体产业结构关系

1957年美国通用电气公司（GE）研制出世界上第一只工业用普通晶闸管(Thyristor)，标志了功率半导体分立器件的诞生。功率半导体分立器件的发展经历了以晶闸管为核心的第一阶段、以MOSFET和IGBT为代表的第二阶段，现在正在进入以宽禁带半导体器件为核心的新发展阶段。

▲图2半导体功率器件全产业链结构

功率半导体分立器件怎么分类

❖ 按照器件结构，分为二极管、功率晶体管、晶闸管等，其中功率晶体管分为双极性结型晶体管（BJT）、结型场效应晶体管（JFET）、金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）等。

❖ 按照功率处理能力，分为低压小功率半导体分立器件、中功率半导体分立器件、大功率半导体分立器件和高压特大功率半导体分立器件。

❖ 按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质， (除功率二极管外)可分为电流驱动型与电压驱动型。

• 电流驱动型：通过从控制端注入或抽出电流实现其关断的功率半导体分立器件。
• 电压驱动型：通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号实现导通或关断的功率半导体器件。

❖ 按照控制电路信号对器件的控制程度，可分为不可控型、半控型和全控型。

• 不可控器件：不能通过控制信号来控制其通断的功率半导体分立器件，代表器件为功率二极管；
• 半控器件：通过控制信号能够控制其导通而不能控制其关断的功率半导体分立器件，代表器件为晶闸管及其大部分派生器件；
• 全控器件：通过控制信号既能够控制其导通，又能够控制其关断的功率半导体分立器件，代表器件有绝缘栅双极晶体管、功率场效应晶体管、门极可关断晶闸管等；

❖ 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，可分为单极型器件、双极型器件和复合型器件。

• 单极型器件：有一种载流子（电子或空穴）参与导电的功率半导体分立器件；
• 双极型器件：由电子和空穴两种载流子参与导电的功率半导体分立器件；
• 复合型器件：由单极型器件和双极型器件集成混合而成的功率半导体分立器件；

❖ 按照功率半导体器件衬底材料的不同，现有的功率半导体分立器件的材料可分为三代：

• 第一代半导体材料主要是以锗（早期产品，现已不常见）和硅为代表。
• 第二代半导体材料主要是以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表的化合物半导体材料。
• 第三代半导体材料主要是以即碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的宽禁带半导体材料。（详见之前推文：宽禁带半导体：颠覆者还是搅局者？）

功率半导体分立器件用在哪里

功率半导体分立器件的应用十分广泛，几乎覆盖了所有的电子制造业，传统应用领域包括消费电子、网络通信、工业电机等。近年来，新能源汽车及充电系统、轨道交通、智能电网、新能源发电、航空航天及武器装备等也逐渐成为了功率半导体分立器件的新兴应用领域。

❖ 消费电子：用于各种电子装置的电源及充电系统、功率半导体照明电源、家用电器变频器等。

❖ 工业电机：工业中需大量应用交直流电机，为其供电的可控整流电源或直流斩波电源、电机的变频驱动系统的核心器件。

❖ 汽车电子及充电系统：传统汽车的电源、照明等系统；新能源汽车的充电桩(器)、变流器、逆变器等应用。

❖ 轨道交通：直流机车中的整流装置，交流机车中的变频装置，高铁、动车、磁悬浮列车等轨道交通的直流斩波器，新能源汽车的电力变换系统、驱动控制系统与电池充电系统，以及各种车辆、飞机、船舶中的电源系统。

❖ 智能电网：智能电网电力传输中的直流输电、柔性交流输电、无功补偿技术、谐波抑制技术以及防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等提高供电质量的技术。

❖ 新能源发电：光伏逆变、风力发电、太阳能发电、地热能发电、生物能和燃料电池发电系统中的逆变器、变流器等装置中。

❖ 航空航天：第三代半导体器件超强的抗辐照能力，在航空航天方面有着绝对的应用优势。

❖ 武器装备：电磁打火装置，远程导弹、雷达、电磁弹射系统的电源系统中。

功率半导体分立器件关键工艺

功率半导体分立器件的主要工艺流程包括：在硅圆片上加工芯片（主要流程为薄膜制造、曝光和刻蚀），进行芯片封装，对加工完毕的芯片进行技术性能指标测试，其中主要生产工艺有外延工艺、光刻工艺、刻蚀工艺、离子注入工艺和扩散工艺等。

❖ 外延工艺技术

对于Si功率半导体器件，外延工艺是根据不同硅源（SiH2CL2、SiHCL3、SiCL4），在1100-1180°C温度下在硅片表面再长一层或多层本征（不掺杂）、N型（掺PH3）或P型（掺B2H6）的单晶硅，并且，要将硅层的厚度和电阻率、厚度和电阻率的均匀性、表面的缺陷控制在允许范围内。

对于SiC功率半导体器件，生长出低缺陷密度的单晶十分困难，因SiC衬底晶体生长需在2300°C的温度下进行，需在H2保护气氛下，用SiH4和CH4或C3H8作为反应气体，其生长速率一般每小时只有几微米，且仍存在SiC衬底中的晶体缺陷扩展到外延层的问题，因而SiC晶片成本特别是高质量大面积的SiC晶片成本远高于Si晶片。

❖ 光刻工艺技术

光刻工艺是将掩膜（光刻板）图形转移到衬底表面的光刻胶上形成产品所需要图形的工艺技术，光刻机的精度一般是指光刻时所得到的光刻图形的最小尺寸。分辨率越高,就能得到越细的线条，集成度也越高。

❖ 刻蚀工艺技术

刻蚀是用物理或化学的方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程，刻蚀的基本作用是准确地复制掩膜图形，以保证生产线中各种工艺正常进行。包括湿法刻蚀、干法刻蚀及等离子增强反应离子刻蚀、电子回旋共振刻蚀（ECR）、感应耦合等离子体刻蚀（ICP）等其他先进蚀刻技术。

❖ 离子注入工艺技术

离子注入是通过高技术设备将器件需要的掺杂元素注入到硅片中。

❖ 扩散工艺技术

半导体掺杂工艺的主要目的在于控制半导体中特定区域内杂质的类型、浓度、深度和PN结。扩散技术是实现这一目的的简单而方便的途径。

功率半导体分立器件的家庭成员

❖ 功率二极管

PIN二极管：大多数功率二极管主要是依靠PN结的单向导电原理工作的，具有极低的通态电阻，称为PIN二极管。从应用的角度，PIN二极管可以分成整流二极管与快恢复二极管。

肖特基二极管：肖特基二极管是单极器件，利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结作为肖特基势垒，以产生整流的效果，在中、高等功率领域中应用广泛。

❖ 晶闸管

晶闸管通常称为可控硅，是一种半控整流器件，体积小、无加热灯丝、寿命长、可靠性高、价格便宜，多应用在电机驱动控制、高压直流输电(HVDC)、动态无功功率补偿、超大电流电解等场合。

❖ 晶体管

晶体管是能够提供电功率放大并具有三个或更多电极的一种半导体器件。

按照主要用途，分为两大类：开关管和放大管。开关管工作在截止区和饱和区，多用于数字电路，实现逻辑功能；放大管一般工作在线性区附近，应用于模拟电路，实现信号或功率放大。

按照主要工艺，分为双极晶体管和场效应晶体管。双极晶体管属于流控器件，响应速度快，驱动能力强；场效应管属于压控器件，输入阻抗高，功率消耗相对较低。

• 双极晶体管是至少具有两个结，其功能依赖于多数载流子和少数载流子的一种晶体管。
• 场效应晶体管是其流过导电沟道的电流受施加在栅源引出端间的电压产生的电场所控制的一种晶体管。场效应晶体管主要可以分为：结栅场效应晶体管(JFET)，金属-半导体场效应晶体管(MESFET)和金属—绝缘体—半导体场效应晶体管(MISFET)。
• 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)绝缘栅双极型晶体管IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的功率半导体分立器件，它的控制极为绝缘栅场效应晶体管，输出极为双极型功率晶体管，因而兼有两者速度和驱动能力的优点，克服了两者的缺点。目前耐压达5kV甚至更高，电流达1.2kA。

❖ 功率半导体分立器件模块

分立器件功率模块是由两个或两个以上半导体分立器件芯片按一定电路连接并安装在陶瓷基覆铜板(DCB)上，用弹性硅凝胶等保护材料密封在一个绝缘外壳内或采用塑料封装，实现半导体分立器件功能的模块。主要应用于高压大电流场合，如智能电网、高铁/动车组等。

❖ 宽禁带功率半导体器件

SiC功率半导体器件包括SiC功率二极管、SiC JFET、SiC MOSFET、SiC IGBT、SiC功率模块。

GaN功率半导体器件包括GaNHEMT基于GaN半导体材料制作的高电子迁移率晶体管，GaN二极管。

下期，我们将为大家普及功率半导体分立器件发展现状及发展趋势，敬请期待！