功率半導(dǎo)體器件鳥瞰

時間：2004-12-02 20:00:00

關(guān)鍵字：功率半導(dǎo)體器件 BSP 芯片發(fā)射極

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[導(dǎo)讀]離開全貌還有不少距離。希望以后還能進一步補充。

     當(dāng)代功率半導(dǎo)體器件大致可以分成三類。一是傳統(tǒng)的各類晶閘管，二是近二十年來發(fā)展起來的功率MOSFET及其相關(guān)器件。三是由上述兩類器件發(fā)展起來的特大功率器件。本文將重點討論以功率MOSFET為主體的現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件，同時也將對比各種傳統(tǒng)的功率器件，探討相互間的聯(lián)系及其對電力電子技術(shù)發(fā)展的影響。

    功率半導(dǎo)體器件的歷史可以追溯到早期的半導(dǎo)體整流元件，甚至遠溯到四十年代的氧化亞銅和硒整流器。但促使一門新學(xué)科－－電力電子學(xué)誕生的卻需歸功于晶閘管（thyristor）這個大家族，特別是具有較強逆變能力的快速和可關(guān)斷晶閘管以及大功率雙極性晶體管。因為電力電子技術(shù)是一門關(guān)于功率變換的技術(shù)。只有當(dāng)逆變用器件有一定的發(fā)展后，才能形成一門專門的學(xué)科。

    現(xiàn)在再來回顧一下二十多年前電力電子學(xué)剛形成時的功率半導(dǎo)體器件，其變化之巨大簡直是難以想象的。許多功率半導(dǎo)體器件已經(jīng)離開歷史舞臺。而最大的變化是：功率 MOSFET從1979年誕生后，逐步改變了整個功率半導(dǎo)體器件的面貌，從而使電力電子學(xué)的范圍跨入了過去未曾涉足的信息領(lǐng)域。
晶閘管及整流元件

    六十到七十年代是晶閘管統(tǒng)治功率器件的全盛時代，到了八十年代，晶閘管的發(fā)展已完全成熟。而九十年代，作為中小功率用的逆變器件，逐步讓位于MOSFET 或IGBT。在許多傳統(tǒng)的相控整流領(lǐng)域，開始逐步被開關(guān)整流所取代。但在特大功率范疇，雙極性器件仍明顯占主導(dǎo)地位。

    為對比MOS器件的發(fā)展，現(xiàn)在來回憶一下晶閘管在技術(shù)方面的發(fā)展過程。可以看到，對器件的理解和要求是一個從靜態(tài)到動態(tài)性能逐步認(rèn)識和改善的過程。

    一. 提高發(fā)射極注入效率及控制少子壽命，使晶閘管的電流容量有了迅速提高。雙極性器件的大注入效應(yīng)使其在取得大電流能力方面，顯然優(yōu)于單極型器件。這也是其后IGBT發(fā)展的基礎(chǔ)。IGBT中的B字，即代表雙極性的意思。

    二. 改善表面造型及表面保護，使器件有較高的耐壓和更好的可靠性。當(dāng)時已有平面型的保護環(huán)技術(shù)（后來稱為終端技術(shù)），但在高壓領(lǐng)域內(nèi)當(dāng)時并未采用。其后采用了特殊輻照摻雜的區(qū)熔硅單晶，使高壓器件有了更好的成品率。IGBT在第三到第五代的轉(zhuǎn)變中，也采用了區(qū)熔硅單晶。

    三. 引入短路發(fā)射極原理，使發(fā)射極下基區(qū)的電阻（簡稱橫向電阻）為最小。以限制發(fā)射極在位移電流作用下產(chǎn)生注入，從而提高了器件的電壓上升率（dv/dt）。這個原理也被MOSFET用來抑制寄生雙極性晶體管起作用。

    四. 引入放大門極原理，或稱場引入原理。即以陽極電場引入門極周圍，以迫使導(dǎo) 通區(qū)擴展，從而改善器件的電流上升率（di/dt）。

    五. 發(fā)展快速晶閘管（Inverter SCR）以取得較高的頻率并用于逆變電路。在制造工藝上采用了降低少子壽命的方法，以降低關(guān)斷時間（tq），從而降低開關(guān)損耗。同時也利用上述第三、四兩條原理，以更好的動態(tài)特性以符合快速開關(guān)要求。有趣的是降低少子壽命的方法以后甚至用在不牽涉少子的多子型器件中，這是因為必須控制寄生的本征二極管的關(guān)斷特性。

    六. 發(fā)展更為“安全”使用的晶閘管。換言之，使器件能經(jīng)受一定的電壓電流尖刺，成為更可靠的晶閘管。如近年來發(fā)展的SAFEIR。

    七. 發(fā)展雙向晶閘管（triac）以更適合于中小功率的交流電路。各類雙向器件的設(shè)想是根據(jù)應(yīng)用的需要而產(chǎn)生的，但真正實現(xiàn)的恐怕只剩下triac。這也許是因為制造雙向器件增加了復(fù)雜性，卻又可以用單向器件去代替它。從技術(shù)而言，是更好地控制各個發(fā)射極下的基區(qū)電阻。利用橫向電阻使器件具有四象限的導(dǎo)通能力。這和提高電壓上升率的措施剛好相反。

    八. 發(fā)展可關(guān)斷晶閘管（GTO）以使晶閘管成為可用門極自關(guān)斷的器件。從技術(shù)而言，是將晶閘管內(nèi)的兩個晶體管的增益做得盡可能小。即降低注入效率（薄發(fā)射極或逆導(dǎo)）和降低少子壽命。從而使其易于關(guān)斷。中小功率的利用PNPN原理的可關(guān)斷器件始終未能占領(lǐng)市場，這可能是因為當(dāng)“閘門”打開后，要切斷并不如一般的晶體管這么容易或是在制造成本上并不合算。

    九. 發(fā)展塑封包裝或模塊，使器件進一步減小體積。甚至包括表面貼裝型的塑封晶閘管（SMALLIR）。為此，方片晶閘管有很大發(fā)展。也有采用平面型場終端技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的挖槽加玻璃鈍化技術(shù)。

    十. 整流元件是始終不會衰退的器件。只是它們的性能在不斷改進。如近年來仍在不斷發(fā)展的快恢復(fù)二極管和快恢復(fù)外延二極管。主要是希望做到恢復(fù)又快又軟，少起振蕩。（QUIETIR）
MOSFET及其相關(guān)器件

    八十年代是MOS器件和晶閘管并行發(fā)展的年代。到了九十年代MOS器件迅速占領(lǐng)了相當(dāng)大部分的中小功率器件市場，尤其是在逆變領(lǐng)域。

    早期的MOS器件發(fā)展，多少沿用了傳統(tǒng)功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展思路。例如曾采用金屬外殼并發(fā)展了多種大電流MOSFET模塊。但其后MOSFET的發(fā)展就大大不同于傳統(tǒng)器件。它首先在開關(guān)電源方面取得了迅速發(fā)展，提高電路效率成為其更重要的任務(wù)。目前它的應(yīng)用范圍主要有通信（包括手機）、汽車、電腦及便攜式電器、工業(yè)、航天、家電、辦公用品等等。目前其世界市場約為二三十億美元。

    由于應(yīng)用范疇的變化，MOSFET的發(fā)展必須符合新的要求。對電腦CPU而言，要求MOSFET用于愈來愈低電壓的電源。對便攜式電源而言，降低損耗縮小體積又成為首要任務(wù)。所以我們會看到愈來愈低電壓、愈來愈小的器件。但也不能只考慮低電壓器件的發(fā)展。如對汽車而言，要配合汽車電源向42伏的轉(zhuǎn)移，則器件電壓要比傳統(tǒng)汽車用的更高些。電視、顯示器、照明等等仍需要市電電壓。空調(diào)器等，還需用IGBT以運行稍大的功率。工業(yè)應(yīng)用時，如焊接電源，就更需用IGBT模塊了。

    但從技術(shù)的發(fā)展來看，MOS型器件的發(fā)展和上述晶閘管的發(fā)展也有相似之處，即從靜態(tài)到動態(tài)的逐步深化的認(rèn)識和改進過程。據(jù)稱：IR公司在發(fā)展更好的MOSFET性能中，經(jīng)歷了如下過程：BV(82)-Rds(86)-Qg(95)-Qgsw(97)-Rg(99)-dv/dt,didt(99)-Coss(99)-Rθ(00)?，F(xiàn)就主要參數(shù)的改進，簡略地列出下述各條：（請參閱P.14“功率MOSFET及其發(fā)展淺說”－－2000）

    一、降低Rdson以增加其電流容量（或降低功率損耗）。其方法有：增加原胞密度，采用溝槽式（Trench）結(jié)構(gòu)等等。

    二、采用一定的終端設(shè)計。或特殊結(jié)構(gòu)以改善電壓和電流的關(guān)系。

    三、發(fā)展IGBT，以增加器件的功率容量（VxI）。IGBT的進一步改進是采用區(qū)熔單晶片以代替外延片，以增加器件的耐用性。特別是指1200伏的IGBT。

    四、降低柵電荷Qg，從而減小開關(guān)損耗。或改變原胞結(jié)構(gòu)為條狀（Stripe）結(jié)構(gòu)以降低柵電荷。

    五、減小基區(qū)橫向電阻，以增加電壓上升率和抵抗電壓尖刺的能力。

    六、降低其本征二極管的少子壽命，以保證恢復(fù)時二極管的有效關(guān)斷。同時也應(yīng)提高二極管的雪崩能力，以承受反向電流上升率引起的電壓脈沖尖刺。

    七、肖特基管在MOSFET應(yīng)用中扮演十分重要的角色。為增加耐壓，就有肖特基和PN結(jié)相結(jié)合的HEXFRED，這是IGBT的主要伙伴。為取得更好的軟恢復(fù)特性，就有特殊的快恢復(fù)二極管發(fā)展（FRD）。

    八、發(fā)展功率集成電路，以配合MOSFET或IGBT的觸發(fā)或進行保護。實質(zhì)上是功率集成電路使電力電子技術(shù)取得更寬廣的發(fā)展領(lǐng)域并加快了發(fā)展過程。不同應(yīng)用范圍通常采用不同的控制集成電路。例如近期發(fā)展的電機調(diào)速用的軟啟動IC，電流采樣 IC，驅(qū)動加保護 IC等等。

    九、結(jié)合不同應(yīng)用發(fā)展不同特點的MOSFET，例如為同步整流發(fā)展了低電壓的具有極小Rdson的器件，對線路中的另一MOSFET則在兼顧Rdson的同時還必須使其具有很低的Qg。另一個例子是對航天應(yīng)用的MOSFET，必須采取特殊工藝使其能耐輻射。即所謂 radiation-hardened(RAD-HARD)功率MOSFET。在火星上的移動車中早已采用了該類器件。

    十、發(fā)展組合型器件甚至子系統(tǒng)。例如在DC－DC變換中，可采用FETKY以代替 MOSFET和一個肖特基。現(xiàn)在已把FETKY和另一個 MOSFET組合在一起，被稱為雙 FETKY（Dual FETKY）。而最新的多芯片模塊MCM也已出現(xiàn)，那是在Dual FETKY 基礎(chǔ) 上又把脈寬調(diào)制集成電路 PWM IC 也組合在內(nèi)。再進一步的發(fā)展將把 MCM 再集成在一個更大的厚膜電路內(nèi)，說明器件的發(fā)展正逐步趨向于制造愈益完整的子系統(tǒng) 。

    十一、發(fā)展專用模塊。除了大家已比較熟悉的IPM外，現(xiàn)在已有了用于調(diào)速系統(tǒng)的更為完整的模塊。此外正在發(fā)展的還有APM及許多專為汽車電子設(shè)計的專用模塊。這與第十項所提的有許多相似之處。實際上，從單芯片到多芯片，從厚膜電路到模塊，無非是考慮更合適的包裝和更有利的功率耗散而已。

    十二、發(fā)展不同的引線焊接方法和外殼包裝。由于芯片的Rdson已大幅度下降，在某些器件中，引線電阻已到了可和芯片內(nèi)阻可比擬的程度。因而也有舍棄了常規(guī)的超聲焊鋁絲而改用銅帶焊接（Copper Strap）的器件。對常規(guī)包裝也設(shè)法稍作改變以焊上更大的芯片，如被稱為Fullpak的TO220及TO247器件等等。由于應(yīng)用的需要也正在發(fā)展愈來愈小的外殼。最新的發(fā)展是：一種無外殼的FlipFET已經(jīng)誕生。這是一種相當(dāng)神奇的 MOSFET ，因為漏和源的電極居然都在同一個表面上。被譽為是具有最大芯片和管腳比（即100％）的器件。

    從上面的敘述來看，雖然晶閘管和MOSFET應(yīng)用范圍相當(dāng)不同，但其性能改進的思路是類似的。由于MOSFET的發(fā)展涉及面很廣，上面的敘述顯然還不能包括全部。如果詳細介紹，將會占很大的篇幅。

    功率半導(dǎo)體器件更進一步的發(fā)展有可能采用新的半導(dǎo)體材料，現(xiàn)在在專業(yè)會議上討論比較多的有碳化硅器件。另外鍺硅和鎵砷材料也有可能發(fā)展。但硅材料在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)仍會占主導(dǎo)地位。
特大功率器件

    它是從傳統(tǒng)晶閘管發(fā)展起來的。但由于MOS型器件的出現(xiàn)，它又取得了新的思路和發(fā)展的途徑。簡略來說，它們包括：一、SCR：晶閘管的容量仍在繼續(xù)擴大，現(xiàn)在的商品已有了采用五英寸硅片的單個高壓器件。其電壓已達七八千伏。

   二、GTO：在自關(guān)斷大功率半導(dǎo)體器件方面，現(xiàn)在正在向三個方面發(fā)展，首先是傳統(tǒng)可關(guān)斷晶閘管（GTO）的發(fā)展，其商品容量已達6000伏3000安。

   三、IGBT：由MOSFET發(fā)展起來的IGBT自然是另一種自關(guān)斷器件，大功率器件制造廠正在迅速增大IGBT容量，有模塊型，也有傳統(tǒng)的大餅型。其最高電壓已能達4500 伏，電流可為1800安。

   四、IGCT：這是一種特殊結(jié)構(gòu)的GTO（如透明陽極，即陽極少子注入率極低的GTO）和特殊的外圍MOS關(guān)斷電路組合在一起的器件。由于其門極關(guān)斷電路的感抗特低，所以可以瞬時流過極大的關(guān)斷電流去關(guān)斷GTO。目前電壓可達4500到6000伏，電流可達250－4000安。上述三種自關(guān)斷器件在工藝上都有相互借鑒之處。當(dāng)然在應(yīng)用中也各有其適用的方向。

    這些大功率器件對我國的電力系統(tǒng)，高壓直流輸電，大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，鐵路、地鐵、輕軌車牽引等方面，都具有關(guān)鍵意義。

    當(dāng)年Newell曾以“浮現(xiàn)于被遺忘的地帶”為篇名介紹了電力電子學(xué)這門邊緣學(xué)科。此后美國的電氣電子工程師協(xié)會IEEE專門為這門學(xué)科設(shè)立了電力電子學(xué)會。我國的電力電子工作者，在更早的時候就開始籌建電力電子學(xué)會。在八十年代初，這個學(xué)會有了很快的發(fā)展。在相似時間成立的中國電源學(xué)會，現(xiàn)在也已成為發(fā)展新型電力電子技術(shù)的主要力量。電力電子技術(shù)在中國早就不再是位于一個被遺忘的地帶，它不僅曾經(jīng)為我國的電力、重工業(yè)、輕工業(yè)、交通的發(fā)展作出了貢獻，近年來也正在為信息產(chǎn)業(yè)的騰飛提供最好的能源。功率半導(dǎo)體則是運用各種電力電子技術(shù)的必要工具。

    表一列出了各種主要功率半導(dǎo)體器件，也暫且把它們分為三類：即傳統(tǒng)的雙極性器件，MOSFET及其相關(guān)器件，特大功率器件等。請對比七十年代后期的一棵功率半導(dǎo)體器件“大樹”（請參閱P.44）以及八十年代后期的一棟功率半導(dǎo)體器件的“對稱建筑”（請參閱P.30），可以看出這二十年來變化之巨大。表二列出了一個大致的鳥瞰圖。對市場作一個粗略的圖示。這些只是一些十分簡略的介紹，離開全貌還有不少距離。希望以后還能進一步補充。
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