大功率半導(dǎo)體技術(shù)現(xiàn)狀及其進(jìn)展

1、大功率半導(dǎo)體技術(shù)現(xiàn)狀及其進(jìn)展摘要：在1957年晶閘管的發(fā)明使得牽引傳動(dòng)技術(shù)正式步入了電子技術(shù)時(shí)代，隨后60多年的發(fā)展帶動(dòng)了大功率半導(dǎo)體行業(yè)逐步開發(fā)出全新材料的器件。近幾年，大功率半導(dǎo)體技術(shù)逐步圍繞著功率轉(zhuǎn)換以提高技術(shù)水平，通過不斷優(yōu)化功率半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)工藝，以提高大功率半導(dǎo)體的功率容量和功率密度，在降低功率損耗的同時(shí)，提高能源轉(zhuǎn)換效率。本文在簡單介紹了現(xiàn)在硅基大功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展過程及新器件研究的進(jìn)展基礎(chǔ)上，分析了在當(dāng)前技術(shù)背景下大功率半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展所面臨的全新挑戰(zhàn)。關(guān)鍵詞：功率半導(dǎo)體器件；晶閘管；絕緣柵雙極晶體管正文：功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展不斷帶動(dòng)了能源技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也推動(dòng)了軌道牽引

2、傳動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，在1957年晶閘管發(fā)明后，交直傳動(dòng)技術(shù)獲得了前所未有的發(fā)展，隨后1965年第一臺(tái)晶閘管整流機(jī)車的問世，帶動(dòng)了全球單相工頻交流電網(wǎng)電氣化的發(fā)展高潮。在步入20世紀(jì)70年代后，大功率晶閘管的出現(xiàn)使得交流傳動(dòng)技術(shù)逐步取代了之前應(yīng)用極為廣泛的交直傳動(dòng)技術(shù)。隨后，在20世紀(jì)90年代中期，伴隨著高壓IGBT技術(shù)的的不斷完善，交流傳動(dòng)功率開關(guān)也逐步由IGBT取代，尤其在城市軌道高速交通等領(lǐng)域獲得廣泛使用。通過60多年的發(fā)展功率，半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)開始逐步探索歸集材料的物理極限，為此，全新的寬禁帶材料和新型器件受到了更多學(xué)者的關(guān)注。一、功率半導(dǎo)體器件的演變歷史在1949年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明出世界第

3、一只竹雞雙極型晶體管后，不僅集成電路由此開始了漫長的發(fā)展旅程，功率半導(dǎo)體也從樣由此起源，基極作為控制，即通過較小的輸入電流來控制集電極和發(fā)射間存在的電流和電壓。但通過時(shí)間發(fā)展，鍺基BJT熱穩(wěn)定方面存在比較明顯的缺陷。為此，在經(jīng)過一段時(shí)間發(fā)展后，到了20世紀(jì)60年代，硅基BJT取代了之前所使用的鍺基BTJ。此外，在功率半導(dǎo)體發(fā)展過程中，也曾出現(xiàn)過功率BTJ。與其他類型相比，功率BTJ擁有極低的飽和降壓和極低的生產(chǎn)成本，但是其在使用過程中驅(qū)動(dòng)功率較大和熱穩(wěn)定性差的問題，導(dǎo)致其逐漸被歷史所淘汰。早在1957年，美國的這一公司就曾經(jīng)發(fā)明出了第一支正式用于工業(yè)轉(zhuǎn)換與控制的晶閘管，這第一支用于工業(yè)轉(zhuǎn)換與控

4、制的晶閘管是在柵極和陰極之間加上正電壓，以此來導(dǎo)通器件。首次出現(xiàn)的晶閘管可以通過較小的電流來控制較大的功率，而這也同樣標(biāo)志著電能的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用進(jìn)入了全新的發(fā)展時(shí)代。與此同時(shí)，電力電子變換裝置也開始廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，無論是工業(yè)、交通還是能源行業(yè)，都借助晶閘管實(shí)現(xiàn)了弱電控制強(qiáng)電，滿足了大功率電能控制的最終目的，電子電力技術(shù)獲得了前所未有的發(fā)展。在20世紀(jì)80年代，相關(guān)技術(shù)人員首次將MOSFET與BJT的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)相融合，創(chuàng)造了新型的功率器件，也就絕緣柵雙極型晶體管。在原先晶閘管的基礎(chǔ)上，絕緣柵雙極型晶體管通過電壓控制的MOSFET給BJT提供足夠的經(jīng)濟(jì)電流，以此來實(shí)現(xiàn)使用期間的高輸入阻抗和低導(dǎo)通損耗

5、。美國GE公司和RCA公司首先在1983年推出了IGBT，并在1986年進(jìn)行了系列化產(chǎn)品的生產(chǎn)。首次研發(fā)出的IGBT融合了MOSFET的電壓控制特性和BJT的優(yōu)越低導(dǎo)通電阻，不僅使用方便，而且驅(qū)動(dòng)功率小，在使用時(shí)的導(dǎo)通電阻小，是當(dāng)時(shí)電力電子器件中應(yīng)用效果極為優(yōu)異的電子電力器件之一。經(jīng)過60多年的不斷發(fā)展和完善，當(dāng)前，大功率半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)獲得了前所未有的發(fā)展，但與此同時(shí)，傳統(tǒng)硅基功率器件的性能已經(jīng)逐步研究置了極限。為此，在正式步入21世紀(jì)后，各個(gè)科技強(qiáng)國開始尋求全新的大功率半導(dǎo)體器件原材料，尤其以SiC和GaN為代表的寬禁帶器件獲得了更多學(xué)者的關(guān)注。由于寬禁帶材料本身就在躍遷等級(jí)和導(dǎo)電導(dǎo)熱性能方

6、面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，加之該材料的飽和漂移速率也相較其他材料來說更具特點(diǎn)，為此，以該材料為原材料所研制出的電子電氣設(shè)備更適用于高溫、高壓和高功率密度的領(lǐng)域，更符合當(dāng)前電子電力器件的發(fā)展要求。二、大功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)2.1器件結(jié)構(gòu)與技術(shù)相融合在當(dāng)前的時(shí)代發(fā)展背景下，學(xué)者要想提高功率，期間的性能就需要做好器件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。在現(xiàn)階段，大功率半導(dǎo)體主要以二極管、BJT和MOSFET3種結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在此前提下不斷進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化，希望能夠?qū)で蟮礁永硐氲钠骷Y(jié)構(gòu)狀態(tài)。從理論上來分析，MOS所控制的晶閘管可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超現(xiàn)有能力的更大功率輸出，但是在實(shí)際研發(fā)過程中受到了研發(fā)工藝等諸多方面因素的限制。而IGCT在研

7、發(fā)過程中借鑒了高壓緩沖層等其他方面和領(lǐng)域的研發(fā)技術(shù)，希望能夠改善IGCT的關(guān)鍵特性。通過不斷地研發(fā)，當(dāng)前學(xué)者已經(jīng)將IGBT晶閘管和IGCT作為一個(gè)整體進(jìn)行更加深入的探究，希望能夠以己之長補(bǔ)彼之短。而在近幾年所發(fā)現(xiàn)的類碳金剛石則擁有獨(dú)特的電熱性能，能夠在高壓晶閘管臺(tái)面終端結(jié)構(gòu)上使用，既可以降低高溫漏電流，還可以搞誒善晶閘管原有的高溫特性，現(xiàn)階段也有更多的學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。2.2設(shè)計(jì)與制造經(jīng)濟(jì)化縱觀大功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，我們可以發(fā)現(xiàn)，任何技術(shù)層面的創(chuàng)新都是精細(xì)化要求所帶來的，如果沒有精細(xì)化設(shè)計(jì)，就不會(huì)有晶閘管到GTO，也不會(huì)有GTO到IGCT，為此，設(shè)計(jì)和制造工藝精細(xì)化必然成為下一階段大功率半

8、導(dǎo)體器件的發(fā)展方向。如果從設(shè)計(jì)層面進(jìn)行分析，當(dāng)前的功率器件還沒有像集成電路一樣面臨小尺寸效應(yīng)的問題，無論是在元胞尺寸收縮，還是在密度增大領(lǐng)域，大功率半導(dǎo)體都還有大的發(fā)展空間。但伴隨著大功率半導(dǎo)體尺寸的不斷縮小，無論是在高溫還是在高電場(chǎng)下的載流子輸運(yùn)都有可能會(huì)出現(xiàn)全新的物理現(xiàn)象?；诖?，相關(guān)學(xué)者需要在該方面進(jìn)行更加深入的研究，以解決未來發(fā)展中可能會(huì)出現(xiàn)的問題。2.3功能集成與智能化在當(dāng)前大功率半導(dǎo)體技術(shù)面臨著全新的智能化挑戰(zhàn)，為此，芯片和封裝層面的傳感技術(shù)和監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為了下一階段學(xué)者所研究的重點(diǎn)項(xiàng)目。借助之前IGBT與FRD的成功的試驗(yàn)，IGBT封裝技術(shù)難度更低，運(yùn)行過程中出現(xiàn)的結(jié)溫波動(dòng)更小，無論是在設(shè)計(jì)還是在應(yīng)用層面，都更加簡易。為此，學(xué)者通過將IGBT上的芯片集成電流和溫度傳感器應(yīng)用在芯片上，希望能夠更好的監(jiān)測(cè)芯片本身的使用狀態(tài)，更好的發(fā)揮芯片的潛能，使IGBT系統(tǒng)的運(yùn)用更加智能。而在當(dāng)前，更多的學(xué)者研究的內(nèi)容集中在中低壓IGBT和低壓MOSFET領(lǐng)域，希望能夠在之前集成少數(shù)傳感單元的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加傳感功能，以此來開發(fā)智能功能單元，提高大功率半導(dǎo)體電子器件的集成化