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功率半导体器件的展望与功率半导体器件的分类

合明科技 👁 2076 Tags:小功率器件大功率器件功率半导体器件清洗

现代功率器件仍在往大功率、易驱动和高频化方向发展,模块化是向高功率密度发展的重要一步。当前功率器件的主要发展趋势如下:

①IGBT(绝缘栅双极晶体管):N沟道增强型场控复合器件,兼具MOSFET和双极性器件的优点,即电流大、损耗低、控制简单。

②MCT(MOS控制晶闸管):新型MOS与双极复合型器件,采用集成电路工艺,在普通晶闸管结构中制作大量MOS器件,通过MOS器件的通断来控制晶闸管的通断,其缺点是不好关断。

③IGCT(集成门极板换流晶闸管):用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。

④IEGT(电子注入增强栅晶体管):耐压达4KV以上的IGBT系列电力电子器件,通过采取增强注入的结构实现了低通态电压,使大容量电力电子器件取得飞跃性发展。

⑤IPEM(集成电力电子模块):将电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块,实现了电力电子技术的智能化和模块化。

⑥PEBB(电力电子模块):在IPEM基础上发展起来的可处理电能集成的器件或模块。

 功率半导体器件的分类

1 按照发展方向

功率器件按照发展方向可以分为小功率器件和大功率器件。小功率器件的发展方向以追求高集成度、高工作频率和单位器件的小功率为目的的微电子技术,它是以集成电路为核心的;而大功率器件的发展方向以追求高的工作电流密度、短的开关时间和大的功率为目的的功率电子学。

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图11 比亚迪公司的BF1181小功率器件与英飞凌公司小功率大气压力传感器器件

2 按照发展过程

功率器件按照其发展过程又可分为三类半导体器件,第一类器件是以晶闸管为代表的功率器件,该类器件一旦开启过后就没法停止了,因此寿命很短。第二类器件是一种可控型器件,如电力场效应晶体管,该类器件可控制器件的开启关断;第三类器件主要以绝缘栅双极晶体管为代表,它将电力场效应晶体管高耐压,驱动电路简单的优点与双极结型晶体管导通电压小的优点结合于一体,因此,在高压高功率电路中得到了广泛应用。

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图13 晶闸管内部结构、示意图及表示符号

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图14 电力场效应晶体管示意图及表示符号

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图15 绝缘栅双极晶体管示意图及表示符号


3 按照半导体材料

功率器件按照半导体材料可分为第一代半导体、第二代半导体与第三代半导体。第一代半导体材料主要是指硅(Si)、锗元素(Ge)半导体材料。而第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料,如砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb);三元化合物半导体,如GaAsAl、GaAsP;还有一些固溶体半导体,如Ge-Si、GaAs-GaP;玻璃半导体(又称非晶态半导体),如非晶硅、玻璃态氧化物半导体;有机半导体,如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。第三代半导体材料主要以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带半导体材料。

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图16 第一、二、三代半导体材料及主要应用

4 按照电流流通路径

功率器件按照电流流通路径可以分为横向功率器件与纵向功率器件。横向功率器件指器件的漏电极和源电极都在器件上方,电流从漏极流向源极的路径为横向。而纵向功率器件指器件的源电极在器件的上方,而漏电流在器件的下方,电流从漏极流向源极的路径为纵向。如图为横向功率器件的代表结构LDMOS(Lateral Double-diffused Metal-Oxide-Semiconductor)与纵向功率器件的代表结构VDMOS(Vertical Double-diffused Metal-Oxide-Semiconductor)元胞结构示意图。

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图17 LDMOS(左)与VDMOS(右)元胞电流路径示意图

功率LDMOS与VDMOS相对于普通MOS多了一个漂移区N-Drift,同时MOS的P-sub相当于LDMOS与VDMOS器件的P-body区域, P-body通过P+区域与源电极相连,因此LDMOS与VDMOS的电流路径相对于普通MOS多了一个漂移区。漂移区的存在增大了器件的电阻,但在电流流通时,漂移区两端就可承受电压,因此LDMOS与VDMOS有较高的击穿电压。

功率半导体器件清洗

为应对能源危机和生态环境恶化等问题,世界各国均在大力发展新能源汽车、高压直流输电等新兴应用,促进了大功率电力电子变流装置的广泛应用。大功率变流装置的可靠性对这些应用而言十分重要。装置的可靠性与其核心器件IGBT密切相关。

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