浅谈功率半导体的技术与未来产业发展(一)

2013-10-14 13:20:26来源: 互联网

功率半导体作为一种重要的元器件,在强电与弱点之间的转换控制中起着十分重要的作用,自诞生以来一直备受工程师的喜爱和关注。经过了很长一段时间的发展,功率半导体在相关电源电路中的应用已经不可替代。尤其是在当前太阳能着力发展的时代,功率半导体更是大踏步向前,虽然目前有着氮化镓与碳化硅等更好的材料,但由于价格以及相关因素的缘故,功率半导体器件在相当长一段时期内会起着重要的作用,下面我们就功率半导体的技术以及未来的技术发展趋势进行分析,希望能给大家提供必要的帮助。

  一、功率半导体的重要性

  功率半导体器件是进行电能(功率)处理的半导体产品,是弱电控制与强电运行间的桥梁。

  在可预见的将来,电能将一直是人类消耗的最大能源。从手机、电视、洗衣机、到高速列车,均离不开电能。无论是水电、核电、火电还是风电,甚至各种电池提供的化学电能,大部分均无法直接使用,75%以上的电能应用需由功率半导体器件进行功率变换以后才能供设备使用。

  每个电子产品均离不开功率半导体技术。功率半导体的目的是使电能更高效、更节能、更环保并给使用者提供更多方便。如通过变频来调速,使变频空调在节能50-70%的同时,更环保、更安静、让人更舒适。人们希望便携式电子产品一次充电后有更长的使用时间,在电池没有革命性进步以前,需要更高性能的功率半导体器件进行高效的电源管理。正是由于功率半导体能将“粗电”变为“精电”,因此它是节能减排的基础技术和核心技术。

  随着绿色环保在国际间的确立与推进,功率半导体的应用范围已从传统的工业控制和4C产业(计算机、通信、消费类电子产品和汽车),扩展到新能源(风电、太阳能)、轨道交通、智能电网等新领域。据国际市场调研机构HISISuppliResearch报告,2011年全球功率半导体市场在2010年大增37.8%以后,继续增长6.7%,达到331亿美元。中国是全球功率半导体的最大市场,占据了超过全球50%以上的份额。

  与微处理器、存储器等数字集成半导体相比,功率半导体的产品寿命周期相对较长,可为几年甚至十几年;同时功率半导体不追求特征尺寸的快速缩小,不要求最先进的生产工艺,其生产线成本远低于Moore定律制约下的超大规模集成电路。因此,功率半导体非常适合我国的产业现状以及我国能源紧张和构建和谐社会的国情。

  二、功率半导体的定义与分类

  功率半导体(PowerSemiconductor,PowerManagementSemiconductor)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、功率放大和功率管理等。

  功率半导体器件包括功率二极管、功率开关器件与功率集成电路,前两者也称为功率(分立)器件。国内常常将功率(分立)器件称为电力电子器件,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领域。

  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(PowerDiscreteDevices)和功率集成电路。功率(分立)器件由功率二极管(PowerRectifiers和PowerDiodes)、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)、绝缘双极晶体管IGBT(InsulatedGateBipolarTransistors)和功率双极晶体管(PowerBipolarTransistors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),在本文中,我们将电源管理集成电路(PowerManagementIC)也纳入PIC的范畴。

  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BJT。除功率BJT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,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,以功率MOS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)。

  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过压、过流、过温等传感与保护电路及其驱动和控制电路等集成于同一芯片的单片功率集成电路的迅速发展。

  目前市场主流的功率半导体器件是硅基器件,包括部分SOI(SOI:SilicononInsulator)基高压集成电路,随着以SiC(碳化硅)和GaN(氮化镓)为代表的宽禁带半导体材料制备、制造工艺与器件物理的迅速发展,SiC和硅基GaN电力电子器件逐渐成为功率半导体器件的重要发展领域。

 

关键字:功率半导体  产业发展

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1014/article_19969.html
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