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(lái)發(fā)展起來(lái)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(lái)的特大功率器件。本文將重點(diǎn)討論以功率MOSFET為主體的現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件，同時(shí)也將對(duì)比各種傳統(tǒng)的功率器件，探討相互間的聯(lián)系及其對(duì)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(yuǎn)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(gè)大家族，特別是具有較強(qiáng)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?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(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(lái)回顧一下二十多年前電力電子學(xué)剛形成時(shí)的功率半導(dǎo)體器件，其變化之巨大簡(jiǎn)直是難以想象的。許多功率半導(dǎo)體器件已經(jīng)離開(kāi)歷史舞臺(tái)。而最大的變化是：功率 MOSFET從1979年誕生后，逐步改變了整個(gè)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(guò)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(shí)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(kāi)始逐步被開(kāi)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(duì)比MOS器件的發(fā)展，現(xiàn)在來(lái)回憶一下晶閘管在技術(shù)方面的發(fā)展過(guò)程?？梢钥吹?，對(duì)器件的理解和要求是一個(gè)從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)性能逐步認(rèn)識(shí)和改善的過(guò)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(hù)，使器件有較高的耐壓和更好的可靠性。當(dāng)時(shí)已有平面型的保護(hù)環(huán)技術(shù)（后來(lái)稱為終端技術(shù)），但在高壓領(lǐng)域內(nèi)當(dāng)時(shí)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(jiǎn)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(gè)原理也被MOSFET用來(lái)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(chǎng)引入原理。即以陽(yáng)極電場(chǎng)引入門極周圍，以迫使導(dǎo) 通區(qū)擴(kuò)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(shí)間（tq），從而降低開(kāi)關(guān)損耗。同時(shí)也 利用上述第三、四兩條原理，以更好的動(dòng)態(tài)特性以符合快速開(kāi)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?yàn)楸仨毧刂萍纳谋菊鞫O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(lái)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(shí)現(xiàn)的恐怕只剩下triac。這也許是因?yàn)橹圃祀p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(gè)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(gè)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(chǎng)，這可能是因?yàn)楫?dāng)“閘門”打開(kāi)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(jìn)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(chǎng)終端技術(shù)來(lái)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(huì)衰退的器件。只是它們的性能在不斷改進(jìn)。如近年來(lái)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(chǎng)，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(kāi)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(jī)）、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(chǎng)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(duì)電腦CPU而言，要求MOSFET用于愈來(lái)愈低電壓的電源。對(duì)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(huì)看到愈來(lái)愈低電壓、愈來(lái)愈小的器件。但也不能只考慮低電壓器件的發(fā)展。如對(duì)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?？照{(diào)器等，還需用IGBT以運(yùn)行稍大的功率。工業(yè)應(yīng)用時(shí)，如焊接電源，就更需用IGBT模塊了。

    但從技術(shù)的發(fā)展來(lái)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(dòng)態(tài)的逐步深化的認(rèn)識(shí)和改進(jìn)過(guò)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(guò)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(jìn)，簡(jiǎn)略地列出下述各條 ：（請(qǐng)參閱P.14“功率MOSFET及其發(fā)展淺說(shuō)”－－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(jì)?；蛱厥饨Y(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(jìn)一步改進(jìn)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(kāi)關(guān)損耗?；蚋淖?cè)Y(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(shí)二極管的有效關(guān)斷。同時(shí)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(jìn)行保護(hù)。實(shí)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(guò)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(jī)調(diào)速用的軟啟動(dòng)IC，電流采樣 IC， 驅(qū)動(dòng)加保護(hù) IC等等。

    九、結(jié)合不同應(yīng)用發(fā)展不同特點(diǎn)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(duì)線路中的另一MOSFET則在兼顧Rdson的同時(shí)還必須使其具有很低的Qg。另一個(gè)例子是對(duì)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(dòng)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(gè)肖特基?，F(xiàn)在已把FETKY和另一個(gè) 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(jìn)一步的發(fā)展將把 MCM 再集成在 一個(gè)更大的厚膜電路內(nèi)，說(shuō)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(jì)的專用模塊。這與第十項(xiàng)所提的有許多相似之處。實(shí)際上，從單芯片到多芯片，從厚膜電路到模塊，無(wú)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(duì)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(lái)愈小的外殼。最新的發(fā)展是：一種無(wú)外殼的FlipFET已經(jīng)誕 生。這是一種相當(dāng)神奇的 MOSFET ， 因?yàn)槁┖驮吹碾姌O居然都在同一個(gè)表面上。 被譽(yù)為是具有最大芯片和管腳比（即100％）的器件。

    從上面的敘述來(lái)看，雖然晶閘管和MOSFET應(yīng)用范圍相當(dāng)不同，但其性能改進(jìn)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(xì)介紹，將會(huì)占很大的篇幅。

    功率半導(dǎo)體器件更進(jìn)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(huì)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(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)仍會(huì)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(lái)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(jiǎn)略來(lái)說(shuō)，它們包括： 一、SCR：晶閘管的容量仍在繼續(xù)擴(kuò)大，現(xiàn)在的商品已有了采用五英寸硅片的單個(gè)高壓器件。其電壓已達(dá)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(gè)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(dá)6000伏3000安。

   三、IGBT：由MOSFET發(fā)展起來(lái)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(dá)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(yáng)極，即陽(yáng)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(shí)流過(guò)極大的關(guān)斷電流去關(guān)斷GTO。目前電壓可達(dá)4500到6000伏，電流可達(dá)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(duì)我國(guó)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(guó)的電氣電子工程師協(xié)會(huì)IEEE專門為這門學(xué)科設(shè)立了電力電子學(xué)會(huì)。我國(guó)的電力電子工作者，在更早的時(shí)候就開(kāi)始籌建電力電子學(xué)會(huì)。在八十年代初，這個(gè)學(xué)會(huì)有了很快的發(fā)展。在相似時(shí)間成立的中國(guó)電源學(xué)會(huì)，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(guó)早就不再是位于一個(gè)被遺忘的地帶，它不僅曾經(jīng)為我國(guó)的電力、重工業(yè)、輕工業(yè)、交通的發(fā)展作出了貢獻(xiàn)，近年來(lái)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(yùn)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(qǐng)對(duì)比七十年代后期的一棵功率半導(dǎo)體器件“大樹(shù)”（請(qǐng)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(duì)稱建筑”（請(qǐng)參閱P.30），可以看出這二十年來(lái)變化之巨大。表二列出了一個(gè)大致的鳥(niǎo)瞰圖。對(duì)市場(chǎng)作一個(gè)粗略的圖示。這些只是一些十分簡(jiǎn)略的介紹，離開(kāi)全貌還有不少距離。希望以后還能進(jìn)一步補(bǔ)充。
----2001年----

張為佐文集__2002年08月31日