功率半导体的发展进程

功率半导体的发展进程

功率器件本来是属于半导体产业中的分立器件子类别，但随着制造工艺的不断提升，目前有部分产品可以与集成电路复合生产，所以以功率半导体的发展来介绍行业演变。功率半导体的发展可分为以下四个阶段：

第一阶段是以整流管、晶闸管为代表的发展阶段。这一阶段的功率器件在低频、大功率变流领域中的应用占有优势，取代了早先的汞弧整流器。1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，功率二极管开始应用于电力领域，1956年贝尔实验室又发明了晶闸管，1957年美国通用电气公司开发出世界上第一只晶闸管器件，开创了传统的功率器件应用技术阶段，晶闸管属于半控型器件，即可通过信号控制其导通但无法实现关断的器件，实现了弱电对强电的控制，在工业界引起了一场技术革命。由于晶闸管具有可控的单向导电特性，被首先用于整流电路，因此也被称为可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier,SCR）。

SCR在体积、重量、动态电气性能和控制性能的优越性，很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，且应用范围迅速扩大，晶闸管的迅速发展使得中大功率的各种变流装置和电动机传动系统得到了快速发展。因为属于半控型器件，通过对SCR 门极的控制，SCR仅能导通而不能关断，即该器件这一缺点使

得SCR的应用有着很大局限性，关断这些器件的控制电路存在体积大、效率低、可靠性差、工作频率低以及电网侧和负载上谐波严重等缺点。

第二阶段是20世纪70年代后期为以可关断晶闸管(Gate Turn Off Thyristor,GTO)、功率双极晶体管（Bipolar Junction Transistor,BJT，也称Giant Transistor,GTR）和功率场效应晶体管（Power-MOSFET）等全控型器件为代表的发展阶段。全控型器件的特点是，通过对门极（基极/栅极）的控制，既可使器件导通又可使器件关断。这一阶段的功率器件开关速度高于晶闸管，它们的应用使变流器的高频化得以实现。

但GTO的开关速度仍旧偏低，BJT也存在着二次击穿和不易并联的问题，驱动电流大和功耗比较大也是该阶段器件的严重缺陷。由此在20世纪70年代末，催生了以MOSFET为代表的场效应晶体管，这类器件克服了前两代的许多不足，具备开关速度快（最高工作频率可以高达几十MHz）、输入阻抗高，而且控制功率小，驱动电路简单等优点，但是他们的导通电阻却比较大，这限制了他们的电流和功率容量，在100V以下目前仍为最理想的开关器件，但是在高压领域其导通电阻仍旧是很大问题。

第三阶段是20世纪80年代后期以绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）复合型器件

为代表的发展阶段。IGBT是功率MOSFET和BJT的复合。功率MOSFET的特点是驱动功率小、开关速度快；BJT的特点是通态压降小、载流能力大，所以IGBT集中了BJT和MOSFET的优点，具有很好的抗击穿性，但也正是由于其由MOSFET驱动三极管，就需要MOSFET导通后再驱动三极管导通，导致其的开关速度不及MOSFET，最大工作频率也低于MOSFET，一般最高达到40-50kHz，开通关断导致的损耗会比较大，这是其相对于MOSFET的明显劣势，加之IGBT的价格远高于MOSFET，所以低压、小功率的环境下MOSFET使用更为广泛，高压、大功率的情况下IGBT更为适用。

第四阶段是以功率集成电路（Power Integrated Circuit, PIC）或智能功率集成电路（Smart Power Integrated Circuit, SPIC）为代表的发展阶段。20世纪90年代后，PIC的设计与工艺水平不断提高，使得PIC开始进入实用化阶段。

PIC即采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。其中MOS、IGBT等功率器件是SPIC的核心，约占整个芯片面积的1/2-2/3。

相比于分立功率器件，PIC的整个电路的体积大大缩小，且引出线和焊接点的数目也大为减少，从而使电子元件向着微小型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步，这代表了当前

电力电子技术的一个重要发展方向，但分立功率器件也因其可自由搭配组合的优势，在广泛的下游应用领域中无法被定制化PIC所绝对替代。

自功率IC出现以后，功率半导体市场从单一的功率器件产品，丰富为功率器件、功率集成电路产品并存，而又由于各代功率半导体产品在自身结构体系内不断迭代、在不同的应用领域及生产成本方面各有优势，当前整个功率半导体市场呈现出多代产品共存的局面。

未来，随着半导体加工技术及功率半导体技术的不断发展，电力电子技术也在不断向前发展，并表现出如下特征：

1、降低产品的重量、体积；

2、减少电力转换过程中的损耗；

3、降低生产成本，缩短研发周期；

4、降低产品的失效率，提升产品的可靠性；

5、进一步提升功率密度和开关频率，以适应更多新兴发展方向；

6、多代产品依照其功能、价格特点，依旧保持共存局

面