本章主要介紹功率半導(dǎo)體器件的定義、種類(lèi)以及發(fā)展概況。

1.1?電力電子器件和電力電子學(xué)

電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)，信息電子技術(shù)包括模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)，用于信息檢出、傳送和處理的低電平電路中。電力電子技術(shù)用于電力傳送、變換、控制或開(kāi)關(guān)的高電平電路中。對(duì)于電力電子技術(shù)，轉(zhuǎn)換效率和散熱是必須考慮的問(wèn)題。變換的功率可達(dá)MW，甚至GW。

電力電子電路中能實(shí)現(xiàn)電能變換和控制的器件，稱(chēng)為電力電子器件，英文為Power Electronic Devices，又稱(chēng)Power Semiconductor Devices，或簡(jiǎn)稱(chēng)為Power Devices， Power 又可翻譯為功率，因此也稱(chēng)功率器件。

電力電子技術(shù)與電力電子學(xué)之間的關(guān)系是工程技術(shù)領(lǐng)域和學(xué)術(shù)之間的關(guān)系，工程上稱(chēng)為電力電子技術(shù)，學(xué)術(shù)上稱(chēng)為電力電子學(xué)。1956年可控硅整流器(英文縮SCR，泛稱(chēng)晶閘管)的發(fā)明是半導(dǎo)體器件由弱電跨入強(qiáng)電的里程碑。電力電子技術(shù)就是以晶閘管為主體的功率（電力）半導(dǎo)體器件為核心部件，跨于電力、電子和控制三大領(lǐng)域的一門(mén)邊緣學(xué)科，可用如圖1.1的所示的“倒三角” 定義來(lái)說(shuō)明。

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圖1.1電力電子學(xué)倒三角定義

1.2?功率半導(dǎo)體器件的定義

功率半導(dǎo)體器件就是能進(jìn)行功率處理的半導(dǎo)體器件，早期的功率半導(dǎo)體器件，如大功率二極管、晶閘管（Thyristor,?也可稱(chēng)為可控硅——SCR）等主要應(yīng)用于工業(yè)和電力系統(tǒng)，因此在國(guó)內(nèi)又稱(chēng)為電力電子器件。典型的功率處理功能包括：變頻、變壓、變流、功率放大、功率管理等。隨著以功率MOS器件為代表的新型功率半導(dǎo)體器件的迅速發(fā)展，目前以計(jì)算機(jī)、通訊、消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品和汽車(chē)電子為代表的4C市場(chǎng)占據(jù)了三分之二的功率半導(dǎo)體應(yīng)用市場(chǎng)。高壓橫向功率器件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)又產(chǎn)生了單片功率集成電路市場(chǎng)。功率管理集成電路（Power Management IC, 也稱(chēng)為電源管理IC）成為目前功率半導(dǎo)體器件的熱點(diǎn)與快速發(fā)展領(lǐng)域。因此采用“功率半導(dǎo)體器件”這樣一個(gè)術(shù)語(yǔ)較“電力電子器件”更準(zhǔn)確，更具時(shí)代意義。

計(jì)算機(jī)，通訊和汽車(chē)工業(yè)方面應(yīng)用的功率半導(dǎo)體器件，其耐壓等級(jí)在200V以下，電動(dòng)控制，機(jī)器人和動(dòng)力分配方面應(yīng)用的功率半導(dǎo)體器件，其耐壓等級(jí)超過(guò)200V。功率器件的應(yīng)用是工作頻率的函數(shù)，如圖1.2所示。大功率系統(tǒng)（例如HVDC配電系統(tǒng)和機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)裝置）在相對(duì)低的頻率下進(jìn)行兆瓦級(jí)功率控制。隨著工作頻率的增加，對(duì)于100W的典型微波器件，其額定功率有所降低。

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?圖1.2功率器件的應(yīng)用

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1.3 功率半導(dǎo)體器件的種類(lèi)

功率半導(dǎo)體器件的分類(lèi)如圖1.3所示。功率半導(dǎo)體器件包括分立功率器件和功率集成電路，分立功率器件由功率二極管和功率開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成，功率開(kāi)關(guān)器件又可分為功率晶體管和晶閘管兩類(lèi)，功率晶體管包括功率MOS器件、IGBT、功率雙極晶體管。功率集成電路（PIC: Power IC）在國(guó)際上又稱(chēng)為智能功率集成電路（SPIC: Smart IC）或高壓集成電路（HVIC: High Voltage IC）。

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圖1.3功率半導(dǎo)體器件的分類(lèi)

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二十世紀(jì)八十年代之前的功率半導(dǎo)體器件主要是功率二極管、晶閘管和功率雙極晶體管。除功率雙極晶體管中部分功率不大的晶體管可工作至微波波段外，其余的功率半導(dǎo)體器件都是低頻器件，一般工作在幾十至幾百赫茲，少數(shù)可達(dá)幾千赫茲。由于功率電路在更高頻率下工作時(shí)具有高效、節(jié)能、減小設(shè)備體積與重量，節(jié)約原材料等優(yōu)點(diǎn)，所以在二十世紀(jì)八十年代發(fā)生了“20kHz革命”，即功率半導(dǎo)體電路中的工作頻率提高到20kHz以上。這時(shí)傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體器件如晶閘管和GTR（巨型晶體管）等因速度慢、功耗大而不再適用，以VDMOS和IGBT為代表的新一代功率半導(dǎo)體器件因此應(yīng)運(yùn)而生。新一代功率半導(dǎo)體器件除具有高頻（相對(duì)于傳統(tǒng)功率器件而言）工作的特點(diǎn)外還都是電壓控制器件，因而使驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，逐漸成為功率半導(dǎo)體器件的主流和發(fā)展方向，在國(guó)際上被稱(chēng)為現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件（Modern Power?Semiconductor?Devices）。下面依據(jù)圖1.3的分類(lèi)，分別就各種功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展做介紹。

1.4功率整流管

當(dāng)電源的工作電壓相對(duì)較?。?lt;100V）時(shí)，硅單極型器件具有較好的性能。當(dāng)電路工作電壓相對(duì)較大（> 100V）時(shí)，硅雙極型器件具有更好的特性。寬禁帶半導(dǎo)體功率器件（例如碳化硅）能將單極型器件的工作電壓擴(kuò)大到5000V以上。在現(xiàn)代電源電路中，通常使用功率晶體管作為開(kāi)關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)流向負(fù)載的功率流，同時(shí)使用功率整流器來(lái)控制電流的方向。隨著高性能功率開(kāi)關(guān)的出現(xiàn)（功率MOSFET和IGBT），功率二極管的性能成為限制功率電路的主要因素。

????傳統(tǒng)的單極型功率二極管為肖特基結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的雙極型功率二極管為pin結(jié)構(gòu)。為了與高性能功率開(kāi)關(guān)器件相匹配，新型功率二極管的結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，下面分別進(jìn)行介紹。

1.4.1.單極型功率二極管

單極型功率二極管為肖特基整流二極管，利用金屬—半導(dǎo)體勢(shì)壘實(shí)現(xiàn)整流。功率肖特基二極管的結(jié)構(gòu)還包含漂移區(qū)，如圖1.4所示。由于漂移區(qū)的電阻隨著反向電壓的增加而迅速增加，所以商用的硅肖特基二極管的阻斷電壓一般在100V以下。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用而言，當(dāng)超過(guò)該值時(shí)，硅肖特基二極管的通態(tài)壓降變大。對(duì)于硅pin二極管，盡管其開(kāi)關(guān)速度較慢但其通態(tài)壓降低，可以用來(lái)設(shè)計(jì)具有較大擊穿電壓的器件。

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圖1.4?功率肖特基勢(shì)壘整流器結(jié)構(gòu)及其等效電路

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硅肖特基二極管遇到的基本問(wèn)題之一是：雖然通態(tài)壓降可以設(shè)計(jì)得較?。▽?duì)于耐壓較低的肖特基二極管），但反向漏電流較大。這與肖特基勢(shì)壘降低效應(yīng)和擊穿前雪崩倍增現(xiàn)象有關(guān)，當(dāng)反向電壓從零增加到工作電壓時(shí)，漏電流增加一個(gè)數(shù)量級(jí)。

減小功率肖特基二極管漏電流的一種方法是通過(guò)加入如圖1.5所示的P-N結(jié)。這種結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為結(jié)勢(shì)壘控制肖特基（JBS）二極管，已經(jīng)有效地用于提高低壓硅器件和高壓碳化硅器件的性能。

另一種屏蔽陽(yáng)極肖特基接觸高電場(chǎng)的方法是使另一個(gè)肖特基接觸具有較大勢(shì)壘高度。 將具有較大勢(shì)壘高度的肖特基接觸放置在溝槽內(nèi)可以增強(qiáng)屏蔽效果，如圖1.6所示。因此，這種結(jié)構(gòu)也被稱(chēng)為溝槽肖特基勢(shì)壘控制肖特基（TSBS）整流器。盡管這種結(jié)構(gòu)首先提出來(lái)是用于改善硅器件的，但由于寬帶隙半導(dǎo)體具有較大的勢(shì)壘高度，所以這種結(jié)構(gòu)更適用于碳化硅器件。

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圖1.5結(jié)勢(shì)壘控制肖特基（JBS）整流器結(jié)構(gòu)

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圖1.6溝槽肖特基勢(shì)壘控制肖特基（TSBS）整流器結(jié)構(gòu)

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原則上，還可以通過(guò)加入MOS結(jié)構(gòu)來(lái)屏蔽陽(yáng)極肖特基接觸，如圖1.7所示。在溝槽內(nèi)形成MOS結(jié)構(gòu)能夠提高屏蔽效果。這種方法對(duì)于具有成熟MOS技術(shù)的硅器件是可行的。但在碳化硅結(jié)構(gòu)中，這種方法是不可取的，因?yàn)樵谘趸镏兴a(chǎn)生非常高的電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致器件失效。在硅器件中，這個(gè)想法已經(jīng)與電荷耦合現(xiàn)象結(jié)合，以此來(lái)減小漂移區(qū)的電阻。

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圖1.7?MOS勢(shì)壘控制肖特基（MBS）整流器結(jié)構(gòu)

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1.4.2 雙極型功率二極管

當(dāng)阻斷電壓超過(guò)100V時(shí)，硅單極型肖特基二極管漂移區(qū)的電阻變得非常大。相比之下，硅雙極型器件更具有優(yōu)勢(shì)。因?yàn)樵谕☉B(tài)，注入漂移區(qū)的載流子能夠產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。在過(guò)去50年中，業(yè)界廣泛使用的pin整流器結(jié)構(gòu)如圖 1.8所示。在通態(tài)，PN結(jié)正偏，注入的少子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)漂移區(qū)的摻雜濃度。為了滿(mǎn)足電中性條件，漂移區(qū)中會(huì)產(chǎn)生等濃度的多數(shù)載流子。因此即使承擔(dān)高反向阻斷電壓，典型硅pin整流器的通態(tài)壓降也僅為1—2V。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了阻斷電壓高達(dá)10kV的商用器件。

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圖1.8?pin整流器結(jié)構(gòu)????????????圖1.9?混合pin/肖特基勢(shì)壘（MPS）整流器

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pin整流器的主要缺點(diǎn)是反向恢復(fù)電流大，開(kāi)關(guān)速度慢。這個(gè)瞬態(tài)過(guò)程在整流器和功率開(kāi)關(guān)中產(chǎn)生大的功耗，瞬態(tài)過(guò)程發(fā)生的頻率由開(kāi)關(guān)器件控制。減少反向恢復(fù)電流的一種方法是通過(guò)使用深能級(jí)雜質(zhì)來(lái)減小載流子壽命。另一種方法是將肖特基接觸和P-N結(jié)相結(jié)合，如圖1.9所示的MPS二極管。雖然這種結(jié)構(gòu)在外觀上與JBS整流器結(jié)構(gòu)相同，但在高壓下它以雙極型模式工作。這種結(jié)構(gòu)不是肖特基二極管和pin整流器的簡(jiǎn)單組合，而是通過(guò)結(jié)合肖特基二極管和pin二極管中的電流流動(dòng)情況，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)結(jié)構(gòu)的最佳屬性。

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1.5?半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件

半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件從結(jié)構(gòu)上來(lái)分可分為晶閘管類(lèi)和功率晶體管類(lèi)，功率晶體管包括：GTR、功率MOSFET和IGBT。從工作機(jī)理上分，晶閘管類(lèi)和GTR屬于雙極型器件，功率MOSFET屬于單極型器件，IGBT為單雙極復(fù)合型器件。一般來(lái)說(shuō)，阻斷電壓小于100V（隨著超級(jí)結(jié)功率MOSFET的出現(xiàn)，這個(gè)極限被打破），開(kāi)關(guān)速度大于100kHz時(shí)，選擇功率MOSFET，當(dāng)電壓超過(guò)300V，IGBT更有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗耐☉B(tài)壓降更低，晶閘管類(lèi)器件適合更高阻斷電壓場(chǎng)合。

1.5.1 晶閘管類(lèi)功率半導(dǎo)體器件

在半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件中，晶閘管是目前具有最高耐壓容量與最大電流容量的器件，其最大電流額定值達(dá)到8kA，電壓額定值可達(dá)12kV。國(guó)外目前已能在100mm直徑的硅片上工業(yè)化生產(chǎn)8kV/4kA的晶閘管。2005年英國(guó)Dynex公司采用1000?Ω·cm、厚度為2mm的硅片，制作出25℃時(shí)雪崩擊穿電壓為（16-17）kV的晶閘管實(shí)驗(yàn)樣品。

晶閘管改變了整流管“不可控”的整流特性，為方便地調(diào)節(jié)輸出電壓提供了條件。但其控制極僅能控制晶閘管導(dǎo)通，不能使已經(jīng)導(dǎo)通的晶閘管恢復(fù)阻斷狀態(tài)，只有借助將陽(yáng)極電流減小至維持電流以下或陰、陽(yáng)極間電壓反向來(lái)關(guān)斷晶閘管。在整流電路中，交流電源的負(fù)半周自然會(huì)關(guān)斷晶閘管，但在直流電路中，要想關(guān)斷晶閘管必須設(shè)置能給其施加反向電壓的換向電路才行，這給應(yīng)用帶來(lái)很大麻煩。一種通過(guò)門(mén)極控制其導(dǎo)通和關(guān)斷的晶閘管——門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO（Gate?Turn-Off）在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速發(fā)展，目前市場(chǎng)上已有6kV/6kA，頻率1kHz的GTO，研制水平可達(dá)8kV/8kA。GTO存在的缺陷是：門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜、di/dt和dv/dt的耐量較低，安全工作區(qū)（Safe?Operating?Area—SOA）較小，以及在工作時(shí)需要一個(gè)龐大的吸收（Snubber）電路等。針對(duì)GTO的上述缺陷，一種硬關(guān)斷晶閘管類(lèi)開(kāi)關(guān)器件——IGCT(Integrated?Gate?Commutated?Thyristor IGCT）被研制開(kāi)發(fā)。與常規(guī)的GTO相比，IGCT具有不用緩沖電路、儲(chǔ)存時(shí)間短、開(kāi)通能力強(qiáng)、關(guān)斷門(mén)極電荷少及系統(tǒng)（包括所有器件和外圍器件）總功耗小等優(yōu)點(diǎn)。IGCT 芯片的基本圖形和結(jié)構(gòu)與常規(guī)GTO 類(lèi)似，但是它除了采用了陽(yáng)極短路型的逆導(dǎo)GTO結(jié)構(gòu)以外，主要是采用了特殊的環(huán)狀門(mén)極，其引出端處于器件的周邊，特別是其門(mén)、陰極之間的阻抗要比常規(guī)GTO的小得多, 所以在門(mén)極加以負(fù)偏壓實(shí)現(xiàn)關(guān)斷時(shí)，門(mén)、陰極間可立即形成耗盡層（圖1.10）。此時(shí)從陽(yáng)極注入基區(qū)的主電流可在關(guān)斷瞬間全部流入門(mén)極，關(guān)斷增益為1，從而使器件迅速關(guān)斷。不言而喻，關(guān)斷IGCT時(shí)需要提供與主電流相等的瞬時(shí)關(guān)斷電流，這就要求包括IGCT門(mén)、陰極在內(nèi)的門(mén)極驅(qū)動(dòng)回路的引線電感十分小。

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圖1.10 門(mén)極關(guān)斷時(shí)，GTO和IGCT門(mén)、陰極區(qū)耗盡層示意圖

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IGCT 的另一個(gè)重要特點(diǎn)是有一個(gè)引線電感極低的與管殼集成在一起的門(mén)極驅(qū)動(dòng)器，圖1.11是其門(mén)極驅(qū)動(dòng)和器件的外形照片。圖中門(mén)極驅(qū)動(dòng)器與IGCT管殼之間的距離只有15 mm左右，包括IGCT及其門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路在內(nèi)的總引線電感量可以減小到GTO電路的1 %左右。其改進(jìn)結(jié)構(gòu)之一稱(chēng)為門(mén)極換向晶閘管（SGCT），兩者特性相似，主要應(yīng)用于電流型PWM中。

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圖1.11?IGCT（左）和SGCT（右）的實(shí)物圖

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????IGCT具有損耗低、開(kāi)關(guān)速度快、內(nèi)部機(jī)械部件極少等優(yōu)點(diǎn)，可以以較低的成本，結(jié)構(gòu)緊湊地、可靠且高效率地用于300 kVA~10 MVA變流器，而不需要串聯(lián)或并聯(lián)。目前研制的IGCT已達(dá)到9 kV/6 kA水平，而6.5 kV/6 kA的器件已經(jīng)開(kāi)始供應(yīng)市場(chǎng)了。如采用串聯(lián)，逆變器功率可擴(kuò)展到100 MVA范圍，而用于電力設(shè)備。因此，IGCT可望成為大功率高電壓低頻變流器的優(yōu)選功率器件之一。但是，從本質(zhì)上講，IGCT仍屬于GTO系列的延伸，它主要是解決了GTO實(shí)際應(yīng)用中存在的門(mén)極驅(qū)動(dòng)的難題。而IGCT門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路中包含了許多驅(qū)動(dòng)用的MOSFET和許多儲(chǔ)能電容器，所以實(shí)際上其門(mén)極驅(qū)動(dòng)功率消耗仍較大，影響系統(tǒng)的總效率。開(kāi)發(fā)MOS可關(guān)斷晶閘管(MTO)的直接目的是，去除IGCT驅(qū)動(dòng)電路中所需的大量MOSFET，這些MOSFET被集成到功率器件的內(nèi)部。因此MTO外部門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路的元件更少，最重要的是不再需要IGCT門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路中的反偏電源，這樣器件具有更高的可靠性。結(jié)果顯示，MTO的關(guān)斷性能得到提高，其關(guān)斷延遲極短，這點(diǎn)與IGCT相似，但MTO的外圍電路更加簡(jiǎn)單。

1.5.2功率雙極晶體管

雙極型功率晶體管雖然存在二次擊穿、安全工作區(qū)受各項(xiàng)參數(shù)影響而變化大、熱容量小、過(guò)流能力低等缺點(diǎn)，學(xué)術(shù)界也一直有雙極型功率晶體管將被功率MOS器件和IGBT所取代的觀點(diǎn)，但由于其成熟的加工工藝、極高的成品率和低的成本，使雙極型功率晶體管仍然在功率開(kāi)關(guān)器件里占有一席之地。

1.5.3功率MOSFET

功率MOSFET是在低電壓方面應(yīng)用的最好的選擇，它具有輸入阻抗高、通態(tài)電阻小、開(kāi)關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)。至今為止，大部分商用功率MOSFET的結(jié)構(gòu)為DMOS結(jié)構(gòu)，如圖1.12所示。為了消除DMOS結(jié)構(gòu)中的JFET電阻，產(chǎn)生了如圖1.12所示的UMOSFET。由于JFET導(dǎo)通電阻的存在，DMOSFET的特征通態(tài)電阻（specific on-resistance）很難做到小于2 mΩcm2，相比之下能承擔(dān)60V的UMOSFET的導(dǎo)通電阻能做到1 mΩcm2，承擔(dān)30V的器件的導(dǎo)通電阻可以做到0.25 mΩcm2，而且有文獻(xiàn)表明，如果將溝槽延伸到n+區(qū)，可以獲得0.15 mΩcm2的特征通態(tài)電阻，但這種結(jié)構(gòu)的器件只能做到25V，由于柵氧化層必須承擔(dān)最大漏極電壓。

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圖1.12 低壓硅功率MOSFET結(jié)構(gòu)的發(fā)展

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如果將漂移區(qū)的濃度梯度線性增加，如圖1.13所示，特征通態(tài)電阻進(jìn)一步降低。

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圖1.13 梯度摻雜溝道門(mén)極MOSFET結(jié)構(gòu)及摻雜剖面圖

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在功率MOS器件設(shè)計(jì)中，擊穿電壓（BV）與特征通態(tài)電阻（Ron）的關(guān)系非常密切，其基本關(guān)系式為Ron=5.93×10-9(BV)2.5。為了解決這對(duì)矛盾，一種基于電子科技大學(xué)陳星弼院士中美發(fā)明專(zhuān)利的新結(jié)構(gòu)功率MOSFET，打破了傳統(tǒng)功率MOS器件理論極限，被國(guó)際上盛譽(yù)為“功率MOS器件領(lǐng)域里程碑”的新型功率MOS器件——CoolMOS于1998年問(wèn)世并很快走向市場(chǎng)。CoolMOS由于采用新耐壓層（陳院士稱(chēng)為復(fù)合緩沖層：Composite?Buffer?Layer）結(jié)構(gòu)（國(guó)際上又稱(chēng)為Super?Junction結(jié)構(gòu)或Multi-RESURF結(jié)構(gòu)或3D?RESURF結(jié)構(gòu)等），在幾乎保持功率MOS器件所有優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，又有著極低的導(dǎo)通損耗（Ron=2.6×10-7b×BV1.23）。目前國(guó)際上已有包括Infineon、IR、Toshiba等多家公司采用該技術(shù)生產(chǎn)低功耗功率MOS器件。圖1.14為Super?Junction結(jié)構(gòu)的CoolMOS器件結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以清晰的看出，CoolMOS器件采用交替的P、N結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)功率MOS器件中低摻雜漂移層作電壓支持層。在CoolMOS器件導(dǎo)通過(guò)程中，只有其多數(shù)載流子（圖中N溝器件為電子）參與導(dǎo)電，因此其開(kāi)關(guān)特性與傳統(tǒng)功率MOS器件相似。當(dāng)器件承擔(dān)電壓時(shí),?復(fù)合緩沖層將產(chǎn)生一個(gè)橫向電場(chǎng)，使PN結(jié)耗盡。當(dāng)電壓達(dá)到一定值時(shí)，復(fù)合緩沖層完全耗盡，將起到電壓支持層的作用。由于復(fù)合緩沖層中P柱和N柱的摻雜濃度可遠(yuǎn)高于通常的耐壓區(qū)，從而使其正向?qū)〞r(shí)的導(dǎo)通電阻大大降低，進(jìn)而改善導(dǎo)通電阻與器件耐壓之間的矛盾。

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圖1.14 Cool MOSFET結(jié)構(gòu)

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1.5.4 IGBT

在高壓功率電子應(yīng)用方面，IGBT已經(jīng)取代硅雙極晶體管，而且在不遠(yuǎn)的將來(lái)將有可能取代GTO。IGBT的結(jié)構(gòu)于1982年首次提出，如圖1.15所示，它由短溝道MOSFET驅(qū)動(dòng)的寬基區(qū)p-n-p晶體管構(gòu)成。這種結(jié)合產(chǎn)生非常高的功率增益，其原因是高輸入阻抗和非平衡載流子注入所產(chǎn)生的低通態(tài)壓降。隨著IGBT中寄生晶閘管效應(yīng)的抑制，器件擁有更大的正反安全工作區(qū)。4.5 kV 、2000 A的IGBT模塊已經(jīng)商品化，這些器件已經(jīng)代替電動(dòng)火車(chē)的GTO。盡管IGBT的性能非常優(yōu)秀，但為了進(jìn)一步降低功耗，MOS門(mén)極控制的晶閘管結(jié)構(gòu)被研究探索。具有這種結(jié)構(gòu)的第一類(lèi)器件是：MCT或MOS-GTO，如圖1.16所示。因?yàn)镸CT不存在FBSOA（正向安全工作區(qū)），因此在PWM硬開(kāi)關(guān)方面不能替代IGBT，但它們卻非常適合軟開(kāi)關(guān)方面的應(yīng)用。

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圖1.15 具有飽和電流能力的MOS-雙極硅功率開(kāi)關(guān)器件的進(jìn)化

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圖1.16?MCT的基本結(jié)構(gòu)與等效電路

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1.6硅功率集成電路

功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展得益于大規(guī)模集成電路工藝的發(fā)展，除了借助光刻線條寬度的減小和溝槽腐蝕技術(shù)的改進(jìn)進(jìn)行分立器件的生產(chǎn)，還將進(jìn)一步開(kāi)發(fā)功率集成電路。功率集成電路（PIC）是指將高壓功率器件與信號(hào)處理系統(tǒng)及外圍接口電路、保護(hù)電路、檢測(cè)診斷電路等集成在同一芯片的集成電路。一般將其分為智能功率集成電路（SPIC）和高壓集成電路（HVIC）兩類(lèi)。但隨著PIC的不斷發(fā)展，兩者在工作電壓和器件結(jié)構(gòu)上（垂直或橫向）都難以嚴(yán)格區(qū)分，已習(xí)慣于將它們統(tǒng)稱(chēng)為智能功率集成電路。智能功率集成電路是機(jī)電一體化的關(guān)鍵接口電路，是SoC（System?on?Chip）的核心技術(shù)，它將信息采集、處理與功率控制合一，是引發(fā)第二次電子革命的關(guān)鍵技術(shù)。

SPIC出現(xiàn)于七十年代后期，由于單芯片集成，SPIC減少了系統(tǒng)中的元件數(shù)、互連數(shù)和焊點(diǎn)數(shù)，不僅提高了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，而且減少了系統(tǒng)的功耗、體積、重量和成本。但由于當(dāng)時(shí)的功率器件主要為雙極型晶體管、GTO等，功率器件所需的驅(qū)動(dòng)電流大，驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路復(fù)雜，PIC的研究并未取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。直至八十年代，由MOS柵控制、具有高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功耗、容易保護(hù)等特點(diǎn)的新型MOS類(lèi)功率器件如功率MOS器件、IGBT等的出現(xiàn)，使得驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單且容易與功率器件集成，才迅速帶動(dòng)了PIC的發(fā)展，但復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和昂貴的工藝成本限制了PIC的應(yīng)用。進(jìn)入九十年代后，PIC的設(shè)計(jì)與工藝水平不斷提高，性能價(jià)格比不斷改進(jìn)，PIC逐步進(jìn)入了實(shí)用階段。迄今已有系列SPIC產(chǎn)品問(wèn)世，包括功率MOS智能開(kāi)關(guān)，電源管理電路、半橋或全橋逆變器、兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、三相無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直流電機(jī)單相斬波器、PWM專(zhuān)用SPIC、線性集成穩(wěn)壓器、開(kāi)關(guān)集成穩(wěn)壓器等。?

近幾年隨著移動(dòng)通信、數(shù)字消費(fèi)電子和計(jì)算機(jī)等產(chǎn)品制造業(yè)的強(qiáng)勁增長(zhǎng)，以電壓調(diào)整器為代表的電源管理（Power?Management）集成電路也得到迅速發(fā)展。

單片功率集成電路是通過(guò)pn結(jié)絕緣來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖1.17（a）所示。pn結(jié)絕緣的缺點(diǎn)是高溫漏電大和由于pn結(jié)相互作用的原因不能集成雙極結(jié)構(gòu)器件。為了消除這方面因素的影響，采用絕緣材料隔離，如圖1.17（b）所示。高壓橫向MOSFET性能上的突破是通過(guò)RESURF（Reduced Surface Field )原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖1.17所示，圖1.17（a）為pn結(jié)隔離的高壓橫向MOSFET，圖1.17（b）為絕緣介質(zhì)隔離的橫向IGBT。

垂直器件通常通過(guò)更厚、更低摻雜濃度的外延層獲得更高的轉(zhuǎn)折電壓。然而，對(duì)于需要橫向絕緣的集成電路來(lái)說(shuō)，需要在更薄的外延層上獲得更高的轉(zhuǎn)折電壓，因此絕緣結(jié)表面電場(chǎng)強(qiáng)度需利用二維耗盡降低。降低表面電場(chǎng)效應(yīng)（RESURF,Reduced Surface Field )的優(yōu)化表層摻雜計(jì)量Q/q大約為1.1012。器件的基本結(jié)構(gòu)如圖1.17所示，它有一個(gè)由高阻P襯底（1.7×1014cm-3）和n-外延層構(gòu)成的高壓二極管，二極管的橫向邊界是p+隔離擴(kuò)散。所形成的二極管由2部分構(gòu)成，一個(gè)具有垂直n-/p+邊緣的橫向二極管，可能發(fā)生橫向擊穿，一個(gè)具有水平n-/p-邊緣的垂直二極管，可能發(fā)生垂直擊穿。如果外延層厚度為50微米，則轉(zhuǎn)折電壓是470V，最大電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在表面n-/p+結(jié)處，如圖1.18(a)所示。如果外延層厚度為15微米，橫向耗盡層受垂直n-/p-結(jié)耗盡層的影響，在更高的電壓1150V下，表面電場(chǎng)強(qiáng)度有兩個(gè)尖峰，一個(gè)尖峰發(fā)生在n-/p+結(jié)處，另一個(gè)發(fā)生在n-/n+結(jié)處，尖峰之間的電場(chǎng)強(qiáng)度均勻，如圖1.18(b)所示。如果橫向距離足夠?qū)挘D(zhuǎn)折發(fā)生在垂直于n+區(qū)的半導(dǎo)體體內(nèi)。外延層摻雜劑量的選擇原則是：在橫向結(jié)發(fā)生轉(zhuǎn)折之前，垂直耗盡層必須擴(kuò)展到表面。圖1.17(b)中的頂部的淺p型層必須受到影響，使電子電流從表面反型層溝道流向漏極。

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????????????（a）pn結(jié)隔離L-DMOSFET????????（b）絕緣隔離L-IGBT

圖1.17pn結(jié)絕緣RESURF橫向DMOSFET與介質(zhì)絕緣REFURF橫向IGBT

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(a) 外延層厚度為50微米BV= 370-470V

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?(b) 外延層厚度為15微米BV=1150V

圖1.18等勢(shì)線和電場(chǎng)分布示意圖

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1.7碳化硅功率開(kāi)關(guān)

在工作電壓低于100V情況下，單極硅器件具有非常良好的性能，而且制作成本低。然而，硅器件中漂移區(qū)的電阻隨阻斷電壓的增高而迅速增加，這使得通態(tài)壓降增加。雖然IGBT的發(fā)明和商業(yè)化很大程度上降低了通態(tài)壓降，但雙極型特性使其開(kāi)關(guān)速度降低了，這限制了該器件在更高頻率下工作。理論分析表明漂移區(qū)導(dǎo)通電阻與材料特性之間有如下關(guān)系：

該公式表明，寬禁帶半導(dǎo)體材料將大幅度降低器件的導(dǎo)通電阻。用碳化硅制作的單極型器件將擁有更低的通態(tài)壓降，阻斷電壓可以高達(dá)10000V。

第一個(gè)400V碳化硅肖特基整流管于1992年被研制出，之后1000V和1600V相繼研制成功。

盡管碳化硅肖特基整流管已經(jīng)取得了非常好的性能，但在漏電方面仍需繼續(xù)改進(jìn)。碳化硅中相對(duì)高的電場(chǎng)使器件的肖特基勢(shì)壘比硅器件還大，這使得其在高壓下的漏電流更大。為了解決這一問(wèn)題，須在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，如前面提到JBS結(jié)構(gòu)。為了解決p型區(qū)離子注入合金溫度高，歐姆接觸難以實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題，提出了溝槽肖特基結(jié)構(gòu)，如圖1.19所示。

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圖1.19碳化硅?TSBS 整流管結(jié)構(gòu)

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雖然碳化硅肖特基整流管取得了令人矚目的進(jìn)步，但更大的驚喜是用碳化硅制作的功率開(kāi)關(guān)在性能方面的提高。漂移區(qū)電阻的分析表明碳化硅MOSFET可以超越硅雙極型器件，阻斷電壓可達(dá)10000V。由于碳化硅雜質(zhì)的擴(kuò)散速度低，第一個(gè)碳化硅MOSFET采用的是UMOS結(jié)構(gòu)。

為了克服氧化層高電場(chǎng)和反型層遷移率低的問(wèn)題，對(duì)UMOS結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，如圖1.20所示。

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圖1.20?碳化硅增強(qiáng)型（ACCUFET）的結(jié)構(gòu)示意圖

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????在如圖1.20所示的結(jié)構(gòu)中，植入的次表層P用來(lái)耗盡門(mén)極氧化層下的薄n型層，n型層的厚度和摻雜濃度的選擇原則是：在0門(mén)極偏置電壓下依靠pn結(jié)的自建電勢(shì)完全耗盡。P區(qū)下面的n漂移區(qū)用來(lái)承擔(dān)阻斷電壓。在不加門(mén)極電壓時(shí)，器件處于關(guān)斷狀態(tài)，即常關(guān)型器件，當(dāng)門(mén)極施加正電壓時(shí)，門(mén)極表面的積累層使器件開(kāi)通。這種結(jié)構(gòu)的重大貢獻(xiàn)是門(mén)極氧化層的低電場(chǎng)，因?yàn)橄噜弍型區(qū)所形成的JFET結(jié)構(gòu)屏蔽了門(mén)極氧化層下的半導(dǎo)體區(qū)域的漏電場(chǎng)。

功耗和速度是功率器件的主要問(wèn)題，尤其是在高頻下降低功耗更為重要。碳化硅功率器件具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1.8功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展

1.8.1功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展歷程

1956年可控硅整流器(英文縮寫(xiě)SCR，泛稱(chēng)晶閘管)的發(fā)明并于次年由美國(guó)通用電氣（GE）公司推出商品，是半導(dǎo)體應(yīng)用由弱電跨入強(qiáng)電的里程碑。其后平面工藝和外延技術(shù)的發(fā)明，又使半導(dǎo)體器件向兩大分支發(fā)展：一支以晶體管或其它半導(dǎo)體器件組成愈來(lái)愈小的集成電路，為適應(yīng)微型化發(fā)展，形成了以半導(dǎo)體集成電路為主體的新興學(xué)科一微電子學(xué)；另一分支則是以晶閘管為主體的功率(電力)半導(dǎo)體分立器件，向愈來(lái)愈大的功率方向發(fā)展。隨著新技術(shù)、新工藝的出現(xiàn)，特別是微電子精細(xì)加工技術(shù)的引入，使功率半導(dǎo)體器件種類(lèi)更多，應(yīng)用范圍更廣。功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展歷程可分如下幾個(gè)階段：

1）晶閘管時(shí)代：

晶閘管屬于半控型器件，只能通過(guò)門(mén)極信號(hào)使其導(dǎo)通，不能通過(guò)門(mén)極信號(hào)進(jìn)行關(guān)斷，需要借助強(qiáng)迫換相電路實(shí)現(xiàn)關(guān)斷，這使晶閘管的應(yīng)用受到很大的限制。

2）全控型器件：

20世紀(jì)70年代后期，以功率雙極晶體管、GTO及功率MOSFET為代表的全控型器件迅速發(fā)展。這類(lèi)器件通過(guò)對(duì)其控制極（基極、門(mén)極或柵極）施加電流或電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)開(kāi)通和關(guān)斷。

3）復(fù)合型全控器件和智能功率集成電路：

20世紀(jì)80年代中期，在功率MOSFET的基礎(chǔ)上形成了以IGBT為代表的復(fù)合型全控器件并得到迅速發(fā)展，而且將IGBT與驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、保護(hù)電路及檢測(cè)電路集成化，形成了智能功率集成電路（SPIC）或智能功率模塊。在GTO的基礎(chǔ)上發(fā)展了IGCT、ETO及MTO等新一代大功率的復(fù)合型器件。

功率MOSFET和IGBT等新一代功率半導(dǎo)體器件的誕生將功率半導(dǎo)體器件的工作頻率提高到20kHz以上。相對(duì)于傳統(tǒng)功率器件而言，這些器件除具有高工作頻率外，還屬于電壓控制型器件，其驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，逐漸成為功率半導(dǎo)體器件的主流和發(fā)展方向，被稱(chēng)為現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件，都是以超大規(guī)模集成電路的微細(xì)加工技術(shù)和MOS工藝為基礎(chǔ)，為功率半導(dǎo)體器件的集成化、智能化和單片系統(tǒng)化提供了可能，促進(jìn)了PIC的迅速發(fā)展。

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圖1.21功率半導(dǎo)體器件的頻率與功率容量

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1.8.2功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展趨勢(shì)

目前硅基功率半導(dǎo)體器件的未來(lái)發(fā)展方向依然是高耐壓、大電流、高容量、低損耗及快速高頻等。圖1.21為幾種功率半導(dǎo)體器件的工作頻率和功率容量，其中實(shí)線為目前的現(xiàn)狀，虛線為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

碳化硅（SiC）材料具有臨界電場(chǎng)強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率高和飽和漂移速度高的特點(diǎn)，因此可以在耐壓、導(dǎo)通電阻和溫度特性方面取得良好的折中。用SiC材料制得的各種耐高溫、高頻、大功率器件，可以應(yīng)用于普通硅器件難以勝任的場(chǎng)合，擴(kuò)大了功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用范圍。

SPIC的發(fā)展趨勢(shì)是工作頻率更高、功率更大、功耗更低、功能更全。

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