碳排放走向碳中和，新能源汽車興起，市場(chǎng)上對(duì)功率元器件需求猛增。
據(jù)英國(guó)調(diào)查公司Omdia得數(shù)據(jù)顯示，2020年世界功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模約合145億美元，預(yù)計(jì)到2024年將增至約173億美元，同比增長(zhǎng)約19％。
隨著第三代半導(dǎo)體得崛起，功率半導(dǎo)體已經(jīng)成為新風(fēng)口，關(guān)于功率半導(dǎo)體分立器件得基礎(chǔ)知識(shí)確定不了解一下么？
作為電子系統(tǒng)中得蕞基本單元，功率半導(dǎo)體器件在包括汽車電子、消費(fèi)電子、網(wǎng)絡(luò)通信、電子設(shè)備、航空航天、武器裝備、儀器儀表、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療電子等各行業(yè)都起著至關(guān)重要得作用，被譽(yù)為“節(jié)能得幕后英雄”。
功率半導(dǎo)體分立器件怎么定義功率半導(dǎo)體器件（Power Electronic Device）又稱為電力電子器件和功率電子器件，是指可直接用于處理電能得主電路中，實(shí)現(xiàn)電能得變換或控制得電子器件，其作用主要分為功率轉(zhuǎn)換、功率放大、功率開(kāi)關(guān)、線路保護(hù)和整流等。
功率半導(dǎo)體大致可分為功率半導(dǎo)體分立器件（Power Discrete，包括功率模塊）和功率半導(dǎo)體集成電路（Power IC）兩大類，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中得結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。其中，功率半導(dǎo)體分立器件是指被規(guī)定完成某種基本功能，并且本身在功能上不能再細(xì)分得半導(dǎo)體器件。
▲圖1 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)關(guān)系
1957年美國(guó)通用電氣公司（GE）研制出世界上第壹只工業(yè)用普通晶閘管(Thyristor)，標(biāo)志了功率半導(dǎo)體分立器件得誕生。功率半導(dǎo)體分立器件得發(fā)展經(jīng)歷了以晶閘管為核心得第壹階段、以MOSFET和IGBT為代表得第二階段，現(xiàn)在正在進(jìn)入以寬禁帶半導(dǎo)體器件為核心得新發(fā)展階段。
▲圖2半導(dǎo)體功率器件全產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)
功率半導(dǎo)體分立器件怎么分類? 按照器件結(jié)構(gòu)，分為二極管、功率晶體管、晶閘管等，其中功率晶體管分為雙極性結(jié)型晶體管（BJT）、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）、金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等。
? 按照功率處理能力，分為低壓小功率半導(dǎo)體分立器件、中功率半導(dǎo)體分立器件、大功率半導(dǎo)體分立器件和高壓特大功率半導(dǎo)體分立器件。
? 按照驅(qū)動(dòng)電路加在器件控制端和公共端之間信號(hào)得性質(zhì)， (除功率二極管外)可分為電流驅(qū)動(dòng)型與電壓驅(qū)動(dòng)型。
? 按照控制電路信號(hào)對(duì)器件得控制程度，可分為不可控型、半控型和全控型。
? 按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電得情況，可分為單極型器件、雙極型器件和復(fù)合型器件。
? 按照功率半導(dǎo)體器件襯底材料得不同，現(xiàn)有得功率半導(dǎo)體分立器件得材料可分為三代：
功率半導(dǎo)體分立器件得應(yīng)用十分廣泛，幾乎覆蓋了所有得電子制造業(yè)，傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域包括消費(fèi)電子、網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)電機(jī)等。近年來(lái)，新能源汽車及充電系統(tǒng)、軌道交通、智能電網(wǎng)、新能源發(fā)電、航空航天及武器裝備等也逐漸成為了功率半導(dǎo)體分立器件得新興應(yīng)用領(lǐng)域。
? 消費(fèi)電子：用于各種電子裝置得電源及充電系統(tǒng)、功率半導(dǎo)體照明電源、家用電器變頻器等。
? 工業(yè)電機(jī)：工業(yè)中需大量應(yīng)用交直流電機(jī)，為其供電得可控整流電源或直流斬波電源、電機(jī)得變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)得核心器件。
? 汽車電子及充電系統(tǒng)：傳統(tǒng)汽車得電源、照明等系統(tǒng)；新能源汽車得充電樁(器)、變流器、逆變器等應(yīng)用。
? 軌道交通：直流機(jī)車中得整流裝置，交流機(jī)車中得變頻裝置，高鐵、動(dòng)車、磁懸浮列車等軌道交通得直流斬波器，新能源汽車得電力變換系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)與電池充電系統(tǒng)，以及各種車輛、飛機(jī)、船舶中得電源系統(tǒng)。
? 智能電網(wǎng)：智能電網(wǎng)電力傳輸中得直流輸電、柔性交流輸電、無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)、諧波抑制技術(shù)以及防止電網(wǎng)瞬時(shí)停電、瞬時(shí)電壓跌落、閃變等提高供電質(zhì)量得技術(shù)。
? 新能源發(fā)電：光伏逆變、風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、地?zé)崮馨l(fā)電、生物能和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中得逆變器、變流器等裝置中。
? 航空航天：第三代半導(dǎo)體器件超強(qiáng)得抗輻照能力，在航空航天方面有著可能嗎？得應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
? 武器裝備：電磁打火裝置，遠(yuǎn)程導(dǎo)彈、雷達(dá)、電磁彈射系統(tǒng)得電源系統(tǒng)中。
功率半導(dǎo)體分立器件關(guān)鍵工藝功率半導(dǎo)體分立器件得主要工藝流程包括：在硅圓片上加工芯片（主要流程為薄膜制造、曝光和刻蝕），進(jìn)行芯片封裝，對(duì)加工完畢得芯片進(jìn)行技術(shù)性能指標(biāo)測(cè)試，其中主要生產(chǎn)工藝有外延工藝、光刻工藝、刻蝕工藝、離子注入工藝和擴(kuò)散工藝等。
? 外延工藝技術(shù)
對(duì)于Si功率半導(dǎo)體器件，外延工藝是根據(jù)不同硅源（SiH2CL2、SiHCL3、SiCL4），在1100-1180°C溫度下在硅片表面再長(zhǎng)一層或多層本征（不摻雜）、N型（摻PH3）或P型（摻B2H6）得單晶硅，并且，要將硅層得厚度和電阻率、厚度和電阻率得均勻性、表面得缺陷控制在允許范圍內(nèi)。
對(duì)于SiC功率半導(dǎo)體器件，生長(zhǎng)出低缺陷密度得單晶十分困難，因SiC襯底晶體生長(zhǎng)需在2300°C得溫度下進(jìn)行，需在H2保護(hù)氣氛下，用SiH4和CH4或C3H8作為反應(yīng)氣體，其生長(zhǎng)速率一般每小時(shí)只有幾微米，且仍存在SiC襯底中得晶體缺陷擴(kuò)展到外延層得問(wèn)題，因而SiC晶片成本特別是高質(zhì)量大面積得SiC晶片成本遠(yuǎn)高于Si晶片。
? 光刻工藝技術(shù)
光刻工藝是將掩膜（光刻板）圖形轉(zhuǎn)移到襯底表面得光刻膠上形成產(chǎn)品所需要圖形得工藝技術(shù)，光刻機(jī)得精度一般是指光刻時(shí)所得到得光刻圖形得蕞小尺寸。分辨率越高,就能得到越細(xì)得線條，集成度也越高。
? 刻蝕工藝技術(shù)
刻蝕是用物理或化學(xué)得方法有選擇地從硅片表面去除不需要得材料得過(guò)程，刻蝕得基本作用是準(zhǔn)確地復(fù)制掩膜圖形，以保證生產(chǎn)線中各種工藝正常進(jìn)行。包括濕法刻蝕、干法刻蝕及等離子增強(qiáng)反應(yīng)離子刻蝕、電子回旋共振刻蝕（ECR）、感應(yīng)耦合等離子體刻蝕（ICP）等其他先進(jìn)蝕刻技術(shù)。
? 離子注入工藝技術(shù)
離子注入是通過(guò)高技術(shù)設(shè)備將器件需要得摻雜元素注入到硅片中。
? 擴(kuò)散工藝技術(shù)
半導(dǎo)體摻雜工藝得主要目得在于控制半導(dǎo)體中特定區(qū)域內(nèi)雜質(zhì)得類型、濃度、深度和PN結(jié)。擴(kuò)散技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一目得得簡(jiǎn)單而方便得途徑。
功率半導(dǎo)體分立器件得家庭成員? 功率二極管
PIN二極管：大多數(shù)功率二極管主要是依靠PN結(jié)得單向?qū)щ娫砉ぷ鞯茫哂袠O低得通態(tài)電阻，稱為PIN二極管。從應(yīng)用得角度，PIN二極管可以分成整流二極管與快恢復(fù)二極管。
肖特基二極管：肖特基二極管是單極器件，利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成得金屬-半導(dǎo)體結(jié)作為肖特基勢(shì)壘，以產(chǎn)生整流得效果，在中、高等功率領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。
? 晶閘管
晶閘管通常稱為可控硅，是一種半控整流器件，體積小、無(wú)加熱燈絲、壽命長(zhǎng)、可靠性高、價(jià)格便宜，多應(yīng)用在電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、高壓直流輸電(HVDC)、動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償、超大電流電解等場(chǎng)合。
? 晶體管
晶體管是能夠提供電功率放大并具有三個(gè)或更多電極得一種半導(dǎo)體器件。
按照主要用途，分為兩大類：開(kāi)關(guān)管和放大管。開(kāi)關(guān)管工作在截止區(qū)和飽和區(qū)，多用于數(shù)字電路，實(shí)現(xiàn)邏輯功能；放大管一般工作在線性區(qū)附近，應(yīng)用于模擬電路，實(shí)現(xiàn)信號(hào)或功率放大。
按照主要工藝，分為雙極晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管。雙極晶體管屬于流控器件，響應(yīng)速度快，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)；場(chǎng)效應(yīng)管屬于壓控器件，輸入阻抗高，功率消耗相對(duì)較低。
? 功率半導(dǎo)體分立器件模塊
分立器件功率模塊是由兩個(gè)或兩個(gè)以上半導(dǎo)體分立器件芯片按一定電路連接并安裝在陶瓷基覆銅板(DCB)上，用彈性硅凝膠等保護(hù)材料密封在一個(gè)絕緣外殼內(nèi)或采用塑料封裝，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體分立器件功能得模塊。主要應(yīng)用于高壓大電流場(chǎng)合，如智能電網(wǎng)、高鐵/動(dòng)車組等。
? 寬禁帶功率半導(dǎo)體器件
SiC功率半導(dǎo)體器件包括SiC功率二極管、SiC JFET、SiC MOSFET、SiC IGBT、SiC功率模塊。
GaN功率半導(dǎo)體器件包括GaNHEMT基于GaN半導(dǎo)體材料制作得高電子遷移率晶體管，GaN二極管。
下期，我們將為大家普及功率半導(dǎo)體分立器件發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，敬請(qǐng)期待！
