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功率半导体器件鸟瞰

工程师
2008-04-03 16:27:43    评分
当代功率半导体器件大致可以分成三类。一是传统的各类晶闸管,二是近二十年来发展起来的功率MOSFET及其相关器件。三是由上述两类器件发展起来的特大功率器件。本文将重点讨论以功率MOSFET为主体的现代功率半导体器件,同时也将对比各种传统的功率器件,探讨相互间的联系及其对电力电子技术发展的影响。


            功率半导体器件的历史可以追溯到早期的半导体整流元件,甚至远溯到四十年代的氧化亚铜和硒整流器。但促使一门新学科--电力电子学诞生的却需归功于晶闸管(thyristor)这个大家族,特别是具有较强逆变能力的快速和可关断晶闸管以及大功率双极性晶体管。因为电力电子技术是一门关于功率变换的技术。只有当逆变用器件有一定的发展后,才能形成一门专门的学科。


            现在再来回顾一下二十多年前电力电子学刚形成时的功率半导体器件,其变化之巨大简直是难以想象的。许多功率半导体器件已经离开历史舞台。而最大的变化是:功率
            MOSFET从1979年诞生后,逐步改变了整个功率半导体器件的面貌,从而使电力电子学的范围跨入了过去未曾涉足的信息领域。
            晶闸管及整流元件


            六十到七十年代是晶闸管统治功率器件的全盛时代,到了八十年代,晶闸管的发展已完全成熟。而九十年代,作为中小功率用的逆变器件,逐步让位于MOSFET
            或IGBT。在许多传统的相控整流领域,开始逐步被开关整流所取代。但在特大功率范畴,双极性器件仍明显占主导地位。


            为对比MOS器件的发展,现在来回忆一下晶闸管在技术方面的发展过程。可以看到,对器件的理解和要求是一个从静态到动态性能逐步认识和改善的过程。


                一.
            提高发射极注入效率及控制少子寿命,使晶闸管的电流容量有了迅速提高。双极性器件的大注入效应使其在取得大电流能力方面,显然优于单极型器件。这也是其后IGBT发展的基础。IGBT中的B字,即代表双极性的意思。


                二.
            改善表面造型及表面保护,使器件有较高的耐压和更好的可靠性。当时已有平面型的保护环技术(后来称为终端技术),但在高压领域内当时并未采用。其后采用了特殊辐照掺杂的区熔硅单晶,使高压器件有了更好的成品率。IGBT在第三到第五代的转变中,也采用了区熔硅单晶。


                三. 引入短路发射极原理,使发射极下基区的电阻(简称横向电阻)为最小。以限制发射极在位移电流作用下产生注入,从而提高了器件的
            电压上升率(dv/dt)。这个原理也被MOSFET用来抑制寄生双极性晶体管起作用。

                四. 引入放大门极原理,或称场引入原理。即以阳极电场引入门极周围,以迫使导 通区扩展,从而改善器件的电流上升率(di/dt)。

                五. 发展快速晶闸管(Inverter SCR)以取得较高的频率并用于逆变电路 。 在制造
            工艺上采用了降低少子寿命的方法,以降低关断时间(tq),从而降低开关损耗。同时也
            利用上述第三、四两条原理,以更好的动态特性以符合快速开关要求。有趣的是降低少
            子寿命的方法以后甚至用在不牵涉少子的多子型器件中,这是因为必须控制寄生的本征二极管的关断特性。

                六. 发展更为“安全”使用的晶闸管。换言之,使器件能经受一定的电压电流尖刺,成为更可靠的晶闸管。如近年来发展的SAFEIR。

                七.
            发展双向晶闸管(triac)以更适合于中小功率的交流电路。各类双向器件的设想是根据应用的需要而产生的,但真正实现的恐怕只剩下triac。这也许是因为制造双向器件增加了复杂性,却又可以用单向器件去代替它。从技术而言,是更好地控制各个发射极下的基区电阻。利用横向电阻使器件具有四象限的导通能力。这和提高电压上升率的措施刚好相反。


                八.
            发展可关断晶闸管(GTO)以使晶闸管成为可用门极自关断的器件。从技术而言,是将晶闸管内的两个晶体管的增益做得尽可能小。即降低注入效率(薄发射极或逆导)和降低少子寿命。从而使其易于关断。中小功率的利用PNPN原理的可关断器件始终未能占领市场,这可能是因为当“闸门”打开后,要切断并不如一般的晶体管这么容易或是在制造成本上并不合算。


                九.
            发展塑封包装或模块,使器件进一步减小体积。甚至包括表面贴装型的塑封晶闸管(SMALLIR)。为此,方片晶闸管有很大发展。也有采用平面型场终端技术来代替传统的挖槽加玻璃钝化技术。


                十. 整流元件是始终不会衰退的器件。只是它们的性能在不断改进。如近年来仍在不断发展的快恢复二极管和快恢复外延二极管
            。主要是希望做到恢复又快又软,少起振荡。 (QUIETIR)
            MOSFET及其相关器件

                八十年代是MOS器件和晶闸管并行发展的年代。到了九十年代MOS器件迅速占领了相当大部分的中小功率器件市场,尤其是在逆变领域。


            早期的MOS器件发展,多少沿用了传统功率半导体器件的发展思路。例如曾采用金属外壳并发展了多种大电流MOSFET模块。但其后MOSFET的发展就大大不同于传统器件。它首先在开关电源方面取得了迅速发展,提高电路效率成为其更重要的任务。目前它的应用范围主要有通信(包括手机)、汽车、电脑及便携式电器、工业、航天、家电、办公用品等等。目前其世界市场约为二三十亿美元。



            由于应用范畴的变化,MOSFET的发展必须符合新的要求。对电脑CPU而言,要求MOSFET用于愈来愈低电压的电源。对便携式电源而言,降低损耗缩小体积又成
            为首要任务。
            所以我们会看到愈来愈低电压、愈来愈小的器件。但也不能只考虑低电压器件的发展。如对汽车而言,要配合汽车电源向42伏的转移,则器件电压要比传统汽车用的更高些。电视、显示器、照明等等仍需要市电电压。空调器等,还需用IGBT以运行稍大的功率。工业应用时,如焊接电源,就更需用IGBT模块了。



            但从技术的发展来看,MOS型器件的发展和上述晶闸管的发展也有相似之处,即从静态到动态的逐步深化的认识和改进过程。据称:IR公司在发展更好的MOSFET性能中,经历了如下过程:BV(82)-Rds(86)-Qg(95)-Qgsw(97)-Rg(99)-dv/dt,didt(99)-Coss(99)-Rθ(00)。现就主要参数的改进,简略地列出下述各条
            :(请参阅P.14“功率MOSFET及其发展浅说”--2000)

                一、降低Rdson以增加其电流容量(或降低功率损耗)。其方法有:增加原胞密度,采用沟槽式(Trench)结构等等。

                二、采用一定的终端设计。或特殊结构以改善电压和电流的关系。


            三、发展IGBT,以增加器件的功率容量(VxI)。IGBT的进一步改进是采用区熔单晶片以代替外延片,以增加器件的耐用性。特别是指1200伏的IGBT。

                四、降低栅电荷Qg,从而减小开关损耗。或改变原胞结构为条状(Stripe)结构以降低栅电荷。

                五、减小基区横向电阻,以增加电压上升率和抵抗电压尖刺的能力。


            六、降低其本征二极管的少子寿命,以保证恢复时二极管的有效关断。同时也应提高二极管的雪崩能力,以承受反向电流上升率引起的电压脉冲尖刺。


            七、肖特基管在MOSFET应用中扮演十分重要的角色。为增加耐压,就有肖特基和PN结相结合的HEXFRED,这是IGBT的主要伙伴。为取得更好的软恢复特性,就有特殊的快恢复二极管发展(FRD)。



            八、发展功率集成电路,以配合MOSFET或IGBT的触发或进行保护。实质上是功率集成电路使电力电子技术取得更宽广的发展领域并加快了发展过程。不同应用范围通常采用不同的控制集成电路。例如近期发展的电机调速用的软启动IC,电流采样
            IC, 驱动加保护 IC等等。


            九、结合不同应用发展不同特点的MOSFET,例如为同步整流发展了低电压的具有极小Rdson的器件,对线路中的另一MOSFET则在兼顾Rdson的同时还必须使其具有很低的Qg。另一个例子是对航天应用的MOSFET,必须采取特殊工艺使其能耐辐射。即所谓
            radiation-hardened(RAD-HARD)功率MOSFET。在火星上的移动车中早已采用了该类器件。

                十、发展组合型器件甚至子系统。例如在DC-DC变换中,可采用FETKY以代替
            MOSFET和一个肖特基。现在已把FETKY和另一个 MOSFET组合在一起,被称为双 FETKY(Dual
            FETKY)。而最新的多芯片模块MCM也已出现,那是在Dual FETKY 基础 上又把脉宽调制 集成电路 PWM IC
            也组合在内。再进一步的发展将把 MCM 再集成在 一个更大的厚膜电路内,说明器件的发展正逐步趋向于制造愈益完整的子系统 。


            十一、发展专用模块。除了大家已比较熟悉的IPM外,现在已有了用于调速系统的更为完整的模块。此外正在发展的还有APM及许多专为汽车电子设计的专用模块。这与第十项所提的有许多相似之处。实际上,从单芯片到多芯片,从厚膜电路到模块,无非是考虑更合适的包装和更有利的功率耗散而已。



            十二、发展不同的引线焊接方法和外壳包装。由于芯片的Rdson已大幅度下降,在某些器件中,引线电阻已到了可和芯片内阻可比拟的程度。因而也有舍弃了常规的超声焊铝丝而改用铜带焊接(Copper
            Strap)的器件。对常规包装也设法稍作改变以焊上更大的芯片,如被称为Fullpak的TO220及TO247器件等等。由于应用的需要也正在发展愈来愈小的外壳。最新的发展是:一种无外壳的FlipFET已经诞
            生。这是一种相当神奇的 MOSFET , 因为漏和源的电极居然都在同一个表面上。 被誉为是具有最大芯片和管脚比(即100%)的器件。


            从上面的叙述来看,虽然晶闸管和MOSFET应用范围相当不同,但其性能改进的思路是类似的。由于MOSFET的发展涉及面很广,上面的叙述显然还不能包括全部。如果详细介绍,将会占很大的篇幅。



            功率半导体器件更进一步的发展有可能采用新的半导体材料,现在在专业会议上讨论比较多的有碳化硅器件。另外锗硅和镓砷材料也有可能发展。但硅材料在相当长的一段时间内仍会占主导地位。
            特大功率器件

                它是从传统晶闸管发展起来的。但由于MOS型器件的出现,它又取得了新的思路和发展的途径。简略来说,它们包括:
            一、SCR:晶闸管的容量仍在继续扩大,现在的商品已有了采用五英寸硅片的单个高压器件。其电压已达七八千伏。


            二、GTO:在自关断大功率半导体器件方面,现在正在向三个方面发展,首先是传统可关断晶闸管(GTO)的发展,其商品容量已达6000伏3000安。


              三、IGBT:由MOSFET发展起来的IGBT自然是另一种自关断器件,大功率器件制造厂
            正在迅速增大IGBT容量,有模块型,也有传统的大饼型。其最高电压已能达4500 伏,电流可为1800安。


            四、IGCT:这是一种特殊结构的GTO(如透明阳极,即阳极少子注入率极低的GTO)和特殊的外围MOS关断电路组合在一起的器件。由于其门极关断电路的感抗特低,所以可以瞬时流过极大的关断电流去关断GTO。目前电压可达4500到6000伏,电流可达250-4000安。上述三种自关断器件在工艺上都有相互借鉴之处。当然在应用中也各有其适用的方向。


                这些大功率器件对我国的电力系统,高压直流输电,大电网联网,铁路、地铁、轻轨车牵引等方面,都具有关键意义。


            当年Newell曾以“浮现于被遗忘的地带”为篇名介绍了电力电子学这门边缘学科。此后美国的电气电子工程师协会IEEE专门为这门学科设立了电力电子学会。我国的电力电子工作者,在更早的时候就开始筹建电力电子学会。在八十年代初,这个学会有了很快的发展。在相似时间成立的中国电源学会,现在也已成为发展新型电力电子技术的主要力量。电力电子技术在中国早就不再是位于一个被遗忘的地带,它不仅曾经为我国的电力、重工业、轻工业、交通的发展作出了贡献,近年来也正在为信息产业的腾飞提供最好的能源。功率半导体则是运用各种电力电子技术的必要工具。



            表一列出了各种主要功率半导体器件,也暂且把它们分为三类:即传统的双极性器件,MOSFET及其相关器件,特大功率器件等。请对比七十年代后期的一棵功率半导体器件“大树”(请参阅P.44)以及八十年代后期的一栋功率半导体器件的“对称建筑”(请参阅P.30),可以看出这二十年来变化之巨大。表二列出了一个大致的鸟瞰图。对市场作一个粗略的图示。这些只是一些十分简略的介绍,离开全貌还有不少距离。希望以后还能进一步补充。



关键词: 功率     半导体     器件     鸟瞰     传统     晶闸     发展     MOS    

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