功率半导体的发展历程及其展望
技术分类： 电源技术 模拟设计 | 2005-02-16
EDN China
功率半导体器件和电力电子
世界上最早的半导体器件是整流器和晶体管，当时并没有功率半导体或微电子半导体之分。1958年，我国开始了第一个晶闸管研究课题(当初称为PNPN器件)。在大致相似的时间里，集成电路的研究也逐步开始。从此半导体器件向两个方向发展。前者成为电力电子学的基础，后者则发展并促成了微电子及信息电子学。
按照我国当时的体制，功率器件被归入机械系统，集成电路则列入电子系统。由于半导体的龙头在电子系统，再加上集成电路又是半导体的主体，因而经过长期的演变，在一些场合集成电路几乎成为半导体器件的唯一代名词。
六十年代末七十年代初，在全国曾掀起过一个\可控硅\热。这个热潮持续甚久，影响很大，因而国内至今仍有人认为功率半导体的主体就是可控硅。七十年代末
，可控硅发展成为一个大家族。并被冠以一个标准化的名称\晶闸管\。由于以开关技术来调节功率，所以在器件上的损耗很小，因此被誉为节能的王牌。其应用领域更是遍及到各个领域。我国在1979年开始酝酿成立电力电子学会，略早于美国IEEE成立电力电子学会(Power Electronics Society)。中国的电力电子学会成立后，由于专业的重要性，发展的速度很快。但当时也因为归口关系，它没有像美国那样成为一个独立的专业学会，而隶属于其后成立的中国电工技术学会。
把Power Electronics翻译和定义为电力电子(当初也有人主张称为功率电子)，对电力电子的普及化起了一定的作用。机械，电力，电子等部门都很关心它的发展。相关的功率半导体器件也因此被称为电力电子器件。但这个名称在国外却很难找到相对应的词汇。\电力\电子的提法在取得普及的同时，也留下了一些后遗症。使人们误认为只有大功率方向才是\电力\电子器件的主体，而难以将迅速发展的MOSFET视为\电力电子\的另一个主体。从这一点来说，我愿意以功率半导体器件作为本文的主题，而电力电子器件则可以更广义地用来表达包括其他非半导体在内的各种功率电子器件。
功率半导体器件发展的三个阶段
功率半导体器件的发展，大致可分为三个阶段。第一阶段是六十到七十年代，那时各种类型的晶闸管和大功率达林顿晶体管有很大的发展，或可称为是双极性的年代。其服务对象是以工业应用为主，包括电力系统，机车牵引等。第二阶段是八十到九十年代，由于功率MOSFET的兴起，使电力电子步入了一个新的领域。为近代蓬勃发展的4C产业：即
Communication，Computer，Consumer，Car(通信，电脑，消费电器，汽车)提供了新的活力。二十一世纪前后，功率半导体器件的发展又进入了第三阶段，即和集成电路结合愈来愈紧密的阶段，图一及图二对上述描述作了一个简单的归纳。当然，这里首先需要嗬重说明的是：当功率半导体器件不断发展时，前一阶段的主导产品并未退出历史舞台。例如晶闸管至今仍是一种重要产品。我国近年来先后引进超大功率晶闸管，光控晶闸管技术，为我国重大发电输电等项目，提供了关键器件。近来又在考虑引入IGCT技术。我国在这方面应该说已逐步走向世界前列。这与我国正在进行许多重大的基本建设有关。虽然从美国来看，大功率晶闸管的生产已愈来愈少，说明两国的经济发展历程并不完全相同。我在图二中画出了功率半导体器件在两个方向上的发展。左侧是双极性方向，正向著超大功率及集成化方向发展。右侧是单极性方向，它正和集成电路建立了愈来愈密切的不可分割的关系。
功率半导体器件和微电子
功率半导体器件是半导体器件中的重要一环，它和微电子器件关系紧密，因为微电子器件需要功率半导体器件配套以提供其电源及执行系统。如迅速发展的电脑，当CPU从286，486，向奔腾I，II，III，IV…发展时，对作为电源的功率半导体要求也愈来愈苛刻。例如现在正在发展电压小于1伏，电流上百安培的电源，这就必须发展最新的MOSFET器件才能满足需要。为了达到这些不断更新的性能指标
，功率半导体器件必须采用微电子器件相似的精细工艺。这也是本文将详细叙述的。 功率半导体器件和集成电路的紧密结合，在图一中列了四个方面:即
1)功率和微电子器件在芯片制造工艺上已日趋接近：功率MOS型器件为了达到更好的性能，例如要求更低的通态电阻，其工艺已从二十年前的几微米的技术迅速向亚微米甚至深亚微米发展。这和微电子器件的发展是一致的。
2)MOS型器件的封装技术也正在向集成电路靠近。这几年来，功率MOS器件已采用了像倒置(Flip)，球栅阵列(BGA)和多芯片模块(MCM)等包装形式。这些都是比较新的集成电路包装形式。
3)从器件结构来看，把功率MOS 型器件和集成电路做在同一个芯片上或是同一个包装中，是新的发展方向之一。所以把功率半导体器件
简单地等同为分立器件就不再合适了。以IR公司产品为例，功率集成电路，或是和IC做在一起的功率器件，以及特殊的先进器件，已占有其产品的一半以上。
4)全面解决(Total Solution)是各种器件的最终设想。寻求器件的功能完整，解决应用中所有的问题是器件制造者的理想。有了集成电路进入了功率半导体器件，这种全面解决的方案就更容易实现了。不仅对小功率方向是如此，甚至大功率方向也在追求更大的集成度和全面解决方案。当然，由一个器件来包含所有功能并不一定永远是最佳方案。例如要考虑成品率的损失，还要注意保护客户主动开发电路的积极性。 功率半导体器件概貌
有了上面那些对发展的总概念，下面来介绍一下功率半导体器件所包含的内容。图三给出了功率半导体器件的概貌。它可以分为三大部分，即双极性器件为主的传统功率半导体器件，以MOSFET和IC为主的现代功率半导体器件，和在前两者基础上发展起来的特大功率器件。本文将重点叙述现代功率半导体器件这部分，这些内容的变化是十分快的*。 首先，从MOS型器件来看，它一直在向两个方向发展：
一)按传统功率半导体的方向，即希望器件能有较高的电压，但仍有较低的内阻或压降。最典型的如绝缘栅双极性晶体管IGBT，它的结构和MOSFET十分相似。它具有MOS器件栅极绝缘和快速开关的能力。但其功率额定值◆类同于晶闸管。所以被原来做电力电子技术人员赏识为功率半导体器件的新平台。从IGBT的芯片来说，更新换代的速度也很快，如IR的第五代采用区熔硅材料的非穿通结构(NPT)，因其有更强的耐用度(ruggedness)而有利于较高压的工业应用。近年来在此基础上又发展了场终止(Field Stop)结构，使IGBT芯片可进一步减薄，例如做1200伏的FS IGBT只要用120微米厚度的硅片，从而又进一步降低了压降和动态损耗。IGBT实际上也有三个方向，1)做成塑封器件，它被大量用于家电的发展。2)做成模块形式，或者加上保护电路，触发电路成为智能功率模块(IPM)，这在空调设备中用得很多。近年来，IR公司正在发展一种称为iNTERO系列的模块。如图四所示。所谓intero，是意大利文，相当于英文中的entire，也就是全部的意思。它包含了一整套从较简易到较复杂的各种模块。如从仅含功率器件的主回路的功率集成模块PIM/BBI(Power Integrated Module/Bridge，Brake，Inverter)开始，发展到智能功率模块IPM，到I2PM(内表面绝缘的智能功率模块)，一直到最新的程控绝缘智能功率模块PI-IPM (Programmable Isolated-IPM)。在PI-IPM中又分为两种类型，即已写入软件的或尚未写入软件等两种。另外正在发展另一种简易型的直接插入式的模块，称为 \，可用于较小功率的空调和其他家电。3)在特大功率方面，IGBT也已跻身为一重要成员，例如做到6500伏的IGBT，可用来代替传统的GTO。在这方面，一些欧洲及日本的公司都有较大的发展。
nbsp; 在较高压的方向，MOSFET本身也作出了很多改进。例如超结结构。它突破了传统的MOSFET理论极限，展示了动人的前景。
二)MOSFET的更为主导的方向是向极低内阻等方向发展。最典型的就是在电脑中的应用。图五表明了内阻(RxA)及其开关优值(RxQswitch) 性能迅速改进的趋势。为达到这种性能，它要求每个MOSFET由更多更小的MOSFET原胞组成。这就要求其工艺精度必须向亚微米方向发展。
除了芯片性能的改进外，外壳包装技术也有了很大突破，IR在发展倒置场效应晶体管，又称\的基础上，今年又推出了DirectFET，如图六所示。其源极和栅极倒置因而可直接焊在印刷线路板上，漏极则焊在其顶部的金属壳上，必要时可以按上散热器或直接与设备外壳接触。DirectFET的尺寸相当于传统的SO-8塑封(塑封面积约4x5平方毫米)外壳。在这么小的器件
中，第一次采用了双面散热结构。它是一个没有引线架，没有引线焊点的器件，因此带来了一系列优点：它的不带芯片的封装电阻(DFPR)仅为0.1mW,器件厚度仅为0.7mm，热阻和寄生电感都大为下降。这种特性使它特别适用于上面提到的电脑最新代的CPU中。在多相电路中，每个相仅用两个DirectFET即可输送30安电流。其电流上升率达每微秒400安，工作频率为1-2兆赫。
其次，必须嗬重介绍一下功率半导体器件中的IC方向：由于MOSFET和IGBT的发展，和它们配套以提供触发信号的功率集成电路PIC(Power IC)也随之迅速发展起来。 当时又称为MOS栅驱动器MGD(MOS Gate Driver)或控制集成电路CIC (Control IC)。随著应用范围的扩大：如马达驱动，调光，各种电源等等，CIC的品种也有了迅速增加。而这些CIC在发展过程中，又逐渐由简单的触发功能向各种应用的特殊需要发展。早期的PIC主要是指可以在高压下使用的IC，所以又称高压集成电路(HVIC)。但目前很多应用，如通信，电脑，可⒆带电源等，它们并不要求有很高的电压，◆要求能针对特殊需要发展专用集成电路。因为它们和功率半导体器件结合应用，我们还是把它们列入了功率半导体器件一类。所以现在在功率半导体器件大家族中，有许多集成电路。其中很多集成电路内带有功率器件，有的则把功率器件分立在外。从这一点来说，功率和微电子的界限变得逐渐模糊。如电脑电源中大量应用的电压调制器件LDO(Low Drop Out)即为一例。它也不属于开关应用。