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浅谈功率半导体的技术与未来产业发展(二)

作者:时间:2013-10-14来源:网络收藏

三、技术与状况

  (一)功率二极管

  功率二极管是器件的重要分支,占据9%的市场份额(2011年数据)。

  目前商业化的功率二极管以PiN功率二极管和肖特基势垒功率二极管(SBD)为主。前者有着耐高压、大电流、低泄漏电流和低导通损耗的优点,但电导调制效应在漂移区中产生的大量少数载流子降低了关断速度,限制了电力电子系统向高频化方向发展。具有多数载流子特性的SBD有着极高的开关频率,但其串联的漂移区电阻有着与器件耐压成2.5次方的矛盾关系,阻碍了SBD的高压大电流应用,加之SBD极差的高温特性、大的泄漏电流和软击穿特性,使得硅SBD通常只工作在250伏以下的电压范围内。

  为了获取高压、高频、低损耗功率二极管,研究人员正在两个方向进行探索。一是沿用成熟的硅基器件(超大规模集成电路)工艺,通过新理论、新结构来改善高压二极管中导通损耗与开关频率间的矛盾关系,二是采用新材料研制功率二极管。

  在硅基功率二极管方面,结合PN结低导通损耗、优良阻断特性和SBD高频特性两者优点于一体的新器件正逐渐走向成熟并进入市场,如美国Vishay公司推出的45V-200V的TMBS系列产品,美国PowerIntegrations公司推出的Qspeed系列二极管产品等。

  此外,为开发具有良好高频特性和优良导通特性的高压快恢复二极管,通过控制正向导通时漂移区少数载流子浓度与分布的新结构器件也不断出现并成功应用于高性能IGBT模块中,如英飞凌公司的EmCon二级管、ABB公司的SPT+二极管和日本富士电机的SASFWD等。台湾Diode公司充分利用MOS控制二极管理论和VLSI工艺研制的超势垒二极管(SuperBarrierRectifier)已经在市场上多处替代SBD。

  随着半导体工艺技术的发展,微处理器、通讯用二次电源等都需要低电压大电流功率变换器。随着功率变换器输出电压的降低,整流损耗成为变换器的主要损耗。为使变换器效率达到90%以上,一种利用功率MOS器件低导通电阻特点的同步整流器(SR:SynchronousRectifier)及同步整流技术应运而生,低导通损耗功率MOS器件的迅速发展为高性能同步整流器奠定了强大的发展基础。

  砷化镓(GaAs)SBD虽然已获应用,但GaAs材料1.42eV的禁带宽度和仅1.5倍于硅材料的临界击穿电场,使得GaAsSBD只能工作在600伏以下的电压范围内,远远不能满足现代电力电子技术的发展需要。SiC材料以其3倍硅的禁带宽度、10倍硅的临界击穿电场、2倍硅的饱和漂移速度和3倍硅的热导率等优良特性而得到迅速发展。SiCSBD是第一个商业化的SiC电力电子器件,目前Cree、Rohm、Infineon等十余家厂商已经将SiCSBD产品添加在其产品系列中。Cree公司已量产600-1700V/1-50A的系列SiCSBD产品,2010年所销售的SiCSBD超过了700亿伏安(VA)。

  SiC基PiN二极管比Si基PiN二极管具有更高的阻断电压(》10kV)和更高的开关速度(》10倍)。2012年,日本京都大学报道了耐压21.7kV的SiCPiN二极管,Cree公司于2006年报道了在1.5cm?1.5cm的4H-SiC芯片上,单管输出电流达180A的4.5kVPiN二极管。在3英寸N型4H-SiC晶圆上,Cree公司制作的10kV/20APiN二极管合格率已经达到40%。

  国内近几年在功率二极管领域发展迅速,芯片加工线已从3-4英寸向5-6英寸,甚至8英寸发展,并有江苏宏微、深圳芯微等设计公司涉足,在快恢复二极管(FRD)方面,国产器件已占据国内80%以上市场份额。

  (二)功率晶体管

  1.功率BJT

  功率BJT是第一个商业化的功率晶体管,虽然存在二次击穿、安全工作区受各项参数影响而变化大、热容量小、过流能力低等缺点,学术界也一直有功率BJT将被功率MOS和IGBT所取代的观点,但由于其成熟的加工工艺、极高的成品率和低廉的成本,使功率BJT仍然在功率开关器件里占有一席之地(2010年占整个功率半导体市场5%份额)。

  与Si基BJT相比,SiC基BJT具有低20~50倍的开关损

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