车规级功率半导体的技术及应用前景

车规级功率半导体的技术及应用前景

功率半导体技术及应用

近期，半导体芯片领域非常热闹。芯片是工业的“粮食”，是支持整个社会发展和经济发展的基础性核心产业，是国民经济的命脉。功率半导体作为能源物联网的“CPU”，是弱电控制与强电运行的桥梁，能够实现能源的传输、转换与控制。功率半导体具有独特的结构、机理和制造工艺，融合了越来越多的微电子制造工艺，与我们日常生活碰到的集成电路芯片有所差别。

1. 功率半导体材料技术演变

功率半导体器件离不开材料的支撑。半导体材料从40年代起到现在，主要经历了三代：第一代是元素半导体，主要材料为锗（Ge）、硅（Si）；第二代是化合物半导体，主要材料为砷化镓（GaAs）、硫化锡（InP）；第三代为宽禁带半导体，主要材料为碳化硅（SiC）、氮化嫁（GaN），其拥有更宽的禁带、更高的临界击穿电场、更高的热导率，因此特别适合高压、高温和高频应用。第二代化合物半导体主要用在微波射频方面，大功率半导体用的材料主要是第一代和第三代。

2. 功率半导体技术演变

功率半导体器件自40年代在美国发明以来，其技术演变也经历了三代：第一代包括锗管、硅二极管和晶闸管，以硅基晶闸管为代表，主要特征是半控性，只能控制导通，不能自主关断；第二代主要以硅材料为主，包括MOSFET、GTO、IGBT和IGCT，最主要特点是不仅可以控制开通，而且有自主关断能力，可以实现自由开关，且频率更高；第三代半导体，以宽禁带材料为主，包括SiC、GaN材料等，SiC材料和器件虽然上世纪八十年代就开始有研究，但真正的快速发展还是在2000年以后，目前虽有SiC SBD和MOSFET产品，但技术尚未成熟。

目前主流、使用较多的半导体器件，一是晶闸管，它可以输出较大功率，但频率相对较低，主要用于直流输电和大功率低频电源等；二是IGCT，它是将GTO与门极驱动电路以低感方式集成在一起，这样可以改善关断性能，此器件目前主要用于大功率电机传动，包括船