大功率半导体技术现状及其进展

大功率半导体技术现状及其进展
摘要：在1957年晶闸管的发明使得牵引传动技术正式步入了电子技术时代，随后60多年的发展带动了大功率半导体行业逐步开发出全新材料的器件。

近几年，大功率半导体技术逐步围绕着功率转换以提高技术水平，通过不断优化功率半导体器件结构和细节工艺，以提高大功率半导体的功率容量和功率密度，在降低功率损耗的同时，提高能源转换效率。

本文在简单介绍了现在硅基大功率半导体器件的发展过程及新器件研究的进展基础上，分析了在当前技术背景下大功率半导体技术发展所面临的全新挑战。

关键词：功率半导体器件；晶闸管；绝缘栅双极晶体管
正文：功率半导体器件的发展不断带动了能源技术的发展，同时也推动了轨道牵引传动技术的进步，在1957年晶闸管发明后，交直传动技术获得了前所未有的发展，随后1965年第一台晶闸管整流机车的问世，带动了全球单相工频交流电网电气化的发展高潮。

在步入20世纪70年代后，大功率晶闸管的出现使得交流传动技术逐步取代了之前应用极为广泛的交直传动技术。

随后，在20世纪90年代中期，伴随着高压IGBT技术的的不断完善，交流传动功率开关也逐步由IGBT取代，尤其在城市轨道高速交通等领域获得广泛使用。

通过60多年的发展功率，半导体技术已经开始逐步探索归集材料的物理极限，为此，全新的宽禁带材料和新型器件受到了更多学者的关注。

一、功率半导体器件的演变历史
在1949年美国贝尔实验室发明出世界第一只竹鸡双极型晶体管后，不仅集成电路由此开始了漫长的发展旅程，功率半导体也从样由此起源，基极作为控制，即通过较小的输入电流来控制集电极和发射间存在的电流和电压。

但通过时间发展，锗基BJT热稳定方面存在比较明显的缺陷。

为此，在经过一段时间发展后，到了20世纪60年代，硅基BJT取代了之前所使用的锗基BTJ。

此外，在功率半导体发展过程中，也曾出现过功率BTJ。

与其
他类型相比，功率BTJ拥有极低的饱和降压和极低的生产成本，但是其在使用过程中驱动功率较大和热稳定性差的问题，导致其逐渐被历史所淘汰。

早在1957年，美国的这一公司就曾经发明出了第一支正式用于工业转换与控制的晶闸管，这第一支用于工业转换与控制的晶闸管是在栅极和阴极之间加上正电压，以此来导通器件。

首次出现的晶闸管可以通过较小的电流来控制较大的功率，而这也同样标志着电能的转化和应用进入了全新的发展时代。

与此同时，电力电子变换装置也开始广泛应用于各个行业，无论是工业、交通还是能源行业，都借助晶闸管实现了弱电控制强电，满足了大功率电能控制的最终目的，电子电力技术获得了前所未有的发展。

在20世纪80年代，相关技术人员首次将MOSFET与BJT的技术优点相融合，创造了新型的功率器件，也就绝缘栅双极型晶体管。

在原先晶闸管的基础上，绝缘栅双极型晶体管通过电压控制的MOSFET给BJT提供足够的经济电流，以此来实现使用期间的高输入阻抗和低导通损耗。

美国GE公司和RCA公司首先在1983年推出了IGBT，并在1986年进行了系列化产品的生产。

首次研发出的IGBT融合了MOSFET的电压控制特性和BJT的优越低导通电阻，不仅使用方便，而且驱动功率小，在使用时的导通电阻小，是当时电力电子器件中应用效果极为优异的电子电力器件之一。

经过60多年的不断发展和完善，当前，大功率半导体技术已经获得了前所未有的发展，但与此同时，传统硅基功率器件的性能已经逐步研究置了极限。

为此，在正式步入21世纪后，各个科技强国开始寻求全新的大功率半导体器件原材料，尤其以SiC和GaN为代表的宽禁带器件获得了更多学者的关注。

由于宽禁带材料本身就在跃迁等级和导电导热性能方面具有独特的优势，加之该材料的饱和漂移速率也相较其他材料来说更具特点，为
此，以该材料为原材料所研制出的电子电气设备更适用于高温、高压和高功率密度的领域，更符合当前电子电力器件的发展要求。

二、大功率半导体技术的发展趋势
2.1器件结构与技术相融合
在当前的时代发展背景下，学者要想提高功率，期间的性能就需要做好器件结构创新。

在现阶段，大功率半导体主要以二极管、BJT和MOSFET3种结构为基础，在此前提下不断进行创新和优化，希望能够寻求到更加理想的器件结构状态。

从理论上来分析，MOS 所控制的晶闸管可以实现远超现有能力的更大功率输出，但是在实际研发过程中受到了研发工艺等诸多方面因素的限制。

而IGCT在研发过程中借鉴了高压缓冲层等其他方面和领域的研发技术，希望能够改善IGCT的关键特性。

通过不断地研发，当前学者已经将IGBT 晶闸管和IGCT作为一个整体进行更加深入的探究，希望能够以己之长补彼之短。

而在近几年所发现的类碳金刚石则拥有独特的电热性能，能够在高压晶闸管台面终端结构上使用，既可以降低高温漏电流，还可以搞诶善晶闸管原有的高温特性，现阶段也有更多的学者对其进行了研究。

2.2设计与制造经济化
纵观大功率半导体技术的发展，我们可以发现，任何技术层面的创新都是精细化要求所带来的，如果没有精细化设计，就不会有晶闸管到GTO，也不会有GTO到IGCT，为此，设计和制造工艺精细化必然成为下一阶段大功率半导体器件的发展方向。

如果从设计层面进行分析，当前的功率器件还没有像集成电路一样面临小尺寸效应的问题，无论是在元胞尺寸收缩，还是在密度增大领域，大功率半导体都还有大的发展空间。

但伴随着大功率半导体尺寸的不断缩小，无论是在高温还是在高电场下的载流子输运都有可能会出现全
新的物理现象。

基于此，相关学者需要在该方面进行更加深入的研究，以解决未来发展中可能会出现的问题。

2.3功能集成与智能化
在当前大功率半导体技术面临着全新的智能化挑战，为此，芯片和封装层面的传感技术和监测技术已经成为了下一阶段学者所研究的重点项目。

借助之前IGBT与FRD的成功的试验，IGBT封装技术难度更低，运行过程中出现的结温波动更小，无论是在设计还是在应用层面，都更加简易。

为此，学者通过将IGBT上的芯片集成电流和温度传感器应用在芯片上，希望能够更好的监测芯片本身的使用状态，更好的发挥芯片的潜能，使IGBT系统的运用更加智能。

而在当前，更多的学者研究的内容集中在中低压IGBT和低压MOSFET领域，希望能够在之前集成少数传感单元的基础上，进一步增加传感功能，以此来开发智能功能单元，提高大功率半导体电子器件的集成化与智能化。

结束语：大功率半导体器件是当前21世纪人类新一轮电气化革命发展的基础，无论是在全球资源保护还是在科学技术发展领域，大功率半导体器件都将发挥无与伦比的作用。

尤其在近几年碳达峰和碳中和等人类共同目标的完成过程中，大功率半导体器件也为电子电力技术发展提供了良好的借鉴。