功率器件的发展历程
功率器件的发展历程
IGBT、GTR、GTO、MOSFET、IGBT、IGCT……
2009-12-08 08:49
引言
电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。从1958年美国通用电气(GE)公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。到了70年代，晶闸管开始形成由低压小电流到高压大电流的系列产品。同时，非对称晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等晶闸管派生器件相继问世，广泛应用于各种变流装置。由于它们具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、响应快等优点，其研制及应用得到了飞速发展。
由于普通晶闸管不能自关断，属于半控型器件，因而被称作第一代电力电子器件。在实际需要的推动下，随着理论研究和工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展，先后出现了GTR、GTO、功率MOSET等自关断、全控型器件，被称为第二代电力电子器件。近年来，电力电子器件正朝着复合化、模块化及功率集成的方向发展，如IGPT、MCT、HVIC等就是这种发展的产物。
电力整流管
整流管产生于本世纪40年代，是电力电子器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。目前已形成普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管等三种主要类型。其中普通整流管的特点是：
漏电流小、通态压降较高(1 0～1 8V)、反向恢复时间较长(几十微秒)、可获得很高的电压和电流定额。多用于牵引、充电、电镀等对转换速度要求不高的装置中。较快的反向恢复时间(几百纳秒至几微秒)是快恢复整流管的显著特点，但是它的通态压降却很高(1 6～4 0V)。它主要用于斩波、逆变等电路中充当旁路
二极管或阻塞二极管。肖特基整流管兼有快的反向恢复时间(几乎为零)和低的通态压降(
0."3～
0."6V)的优点，不过其漏1
电流较大、耐压能力低，常用于高频低压仪表和开关电源。目前的研制水平为:
普通整流管(8000V/5000A/400Hz)；快恢复整流管(6000V/1200A/1000Hz)；肖特基整流管(1000V/100A/200kHz)。
电力整流管对改善各种电力电子电路的性能、降低电路损耗和提高电源使用效率等方面都具有非常重要的作用。随着各种高性能电力电子器件的出现，开发具有良好高频性能的电力整流管显得非常必要。目前，人们已通过新颖结构的设计和大规模集成电路制作工艺的运用，研制出集PIN整流管和肖特基整流管的优点于一体的具有MPS、SPEED和SSD等结构的新型高压快恢复整流管。
它们的通态压降为1V左右，反向恢复时间为PIN整流管的1/2，反向恢复峰值电流为PIN整流管的1/
3。"
普通晶闸管及其派生器件
晶闸管诞生后，其结构的改进和工艺的改革，为新器件的不断出现提供了条件。1964年，双向晶闸管在GE公司开发成功，应用于调光和马达控制；1965年，小功率光触发晶闸管出现，为其后出现的光耦合器打下了基础；60年代后期，大功率逆变晶闸管问世，成为当时逆变电路的基本元件；1974年，逆导晶闸管和非对称晶闸管研制完成。
普通晶闸管广泛应用于交直流调速、调光、调温等低频(400Hz以下)领域，运用由它所构成的电路对电网进行控制和变换是一种简便而经济的办法。不
过，这种装置的运行会产生波形畸变和降低功率因数、影响电网的质量。目前水平为12kV/1kA和6500V/4000A。
双向晶闸管可视为一对反并联的普通晶闸管的集成，常用于交流调压和调功电路中。正、负脉冲都可触发导通，因而其控制电路比较简单。其缺点是换向能力差、触发灵敏度低、关断时间较长，其水平已超过2000V/500A。
光控晶闸管是通过光信号控制晶闸管触发导通的器件，它具有很强的抗干扰能力、良好的高压绝缘性能和较高的瞬时过电压承受能力，因而被应用于高压直流输电(HVDC)、静止无功功率补偿(SVC)等领域。其研制水平大约为
8000V/3600A。2逆变晶闸管因具有较短的关断时间(10～15s)而主要用于中频感应加热。在逆变电路中，它已让位于GTR、GTO、IGBT等新器件。目前，其最大容量介于2500V/1600A/1kHz和800V/50A/20kHz的范围之内。
非对称晶闸管是一种正、反向电压耐量不对称的晶闸管。而逆导晶闸管不过是非对称晶闸管的一种特例，是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。与普通晶闸管相比，它具有关断时间短、正向压降小、额定结温高、高温特性好等优点，主要用于逆变器和整流器中。目前，国内有厂家生产3000V/900A的非对称晶闸管。
全控型电力电子器件
门极可关断晶闸管（GTO）
1964年，美国第一次试制成功了500V/10A的GTO。在此后的近10年内，GTO的容量一直停留在较小水平，只在汽车点火装置和电视机行扫描电路中进行试用。自70年代中期开始，GTO的研制取得突破，相继出世了1300V/
6
00A、2500V/
1
000A、4500V/2400A的产品，目前已达9kV/25kA/800Hz及6Hz/6kA/1kHz的水平。GTO有对称、非对称和逆导三种类型。与对称GTO相比，非对称GTO通
态压降小、抗浪涌电流能力强、易于提高耐压能力(3000Ｖ以上)。逆导型GTO 是在同一芯片上将GTO与整流二极管反并联制成的集成器件，不能承受反向电压，主要用于中等容量的牵引驱动中。
在当前各种自关断器件中，GTO容量最大、工作频率最低(1~2kHz)。GTO是电流控制型器件，因而在关断时需要很大的反向驱动电流；GTO通态压降大、dV/dT及di/dt耐量低，需要庞大的吸收电路。目前，GTO虽然在低于2000V的某些领域内已被GTR和IGRT等所替代，但它在大功率电力牵引中有明显优势；今后，它也必将在高压领域占有一席之地。
大功率晶体管（GTR）
GTR是一种电流控制的双极双结电力电子器件，产生于本世纪70年代，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具备晶体管的固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等3频率的电路中应用广泛。GTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率MOSFET 和IGBT所代替。
功率MOSFET
功率MOSFET是一种电压控制型单极晶体管，它是通过栅极电压来控制漏极电流的，因而它的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小；仅由多数载流子导电，无少子存储效应，高频特性好，工作频率高达100kHz以上，为所有电力电子器件中频率之最，因而最适合应用于开关电源、高频感应加热等高频场合；没有二次击穿问题，安全工作区广，耐破坏性强。功率MOSFET的缺点是电流容量小、耐压低、通态压降大，不适宜运用于大功率装置。目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。
复合型电力电子器件
绝缘门极双极型晶体管（IGBT）
IGBT是由美国GE公司和RCA公司于1983年首先研制的，当时容量仅
500V/20A，且存在一些技术问题。经过几年改进，IGBT于1986年开始正式生产并逐渐系列化。至90年代初，IGBT已开发完成第二代产品。目前，第三代智能IGBT已经出现，科学家们正着手研究第四代沟槽栅结构的IGBT。IGBT可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合。通过施加正向门极电压形成沟道、提供晶体管基极电流使IGBT导通；反之，若提供反向门极电压则可消除沟道、使IGBT因流过反向门极电流而关断。IGBT集GTR通态压降小、载流密度大、耐压高和功率MOSFET驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身，因此备受人们青睐。它的研制成功为提高电力电子装置的性能，特别是为逆变器的小型化、高效化、低噪化提供了有利条件。
比较而言，IGBT的开关速度低于功率MOSFET，却明显高于GTR；IGBT的通态压降同GTR相近，但比功率MOSFET低得多；IGBT的电流、电压等级与GTR接近，而比功率MOSFET高。目前，其研制水平已达4500V/1000A。由于IGBT具有上述特点，在中等功率容量(600V以上)的UPS、开关电源及交流电机控制用PWM逆变器中，IGBT已逐步替代GTR成为核心元件。另外，IR公司已设计出开关频4
率高达150kHz的WARP系列400～600VIGBT，其开关特性与功率MOSFET 接近，而导通损耗却比功率MOSFET低得多。该系列IGBT有望在高频150kHz
整流器中取代功率MOSFET，并大大降低开关损耗。
IGBT的发展方向是提高耐压能力和开关频率、降低损耗以及开发具有集成保护功能的智能产品。
MOS控制晶闸管(MCT)
MCT最早由美国GE公司研制，是由MOSFET与晶闸管复合而成的新型器件。
每个MCT器件由成千上万的MCT元组成，而每个元又是由一个PN晶闸管、一个控制MCT导通的MOSFET和一个控制MCT关断的MOSFET组成。MCT 工作于超掣住状态，是一个真正的PN器件，这正是其通态电阻远低于其它场效应器件的最主要原因。MCT既具备功率MOSFET输入阻抗高、驱动功率小、开
关速度快的特性，又兼有晶闸管高电压、大电流、低压降的优点。其芯片连续电流密度在各种器件中最高，通态压降不过是IGBT或GTR的1/3，而开关速度则超过GTR。
此外，由于MCT中的MOSFET元能控制MCT芯片的全面积通断，故MCT 具有很强的导通di/dt和阻断dV/dt能力，其值高达2000A/ s和2000V/ s。其工作结温亦高达150～200℃。已研制出阻断电压达4000V的MCT，
75A/1000VMCT已应用于串联谐振变换器。随着性能价格比的不断优化，MCT
将逐渐走入应用领域并有可能取代高压GTO，与IGBT的竞争亦将在中功率领域展开。
功率集成电路（PIC）
PIC是电力电子器件技术与微电子技术相结合的产物，是机电一体化的关键接口元件。将功率器件及其驱动电路、保护电路、接口电路等外围电路集成在一个或几个芯片上，就制成了PIC。一般认为，PIC的额定功率应大于1W。功率集成电路还可以分为高压功率集成电路(HVIC)、智能功率集成电路(SPIC)和智能功率模块(IPM)。
HVIC是多个高压器件与低压模拟器件或逻辑电路在单片上的集成，由于它的功率器件是横向的、电流容量较小，而控制电路的电流密度较大，故常用于小型电机驱动、平板显示驱动及长途电话通信电路等高电压、小电流场合。已5有110V/13A和550V/
0."
5
A、80V/2A/200kHz以及500V/600mA的HVIC分别用于上述装置。
SPIC是由一个或几个纵型结构的功率器件与控制和保护电路集成而成，电流容量大而耐压能力差，适合作为电机驱动、汽车功率开关及调压器等。
IPM除了集成功率器件和驱动电路以外，还集成了过压、过流、过热等故障监测电路，并可将监测信号传送至CPU，以保证IPM自身在任何情况下不受损坏。
当前，IPM中的功率器件一般由IGBT充当。由于IPM体积小、可靠性高、使用方便，故深受用户喜爱。IPM主要用于交流电机控制、家用电器等。已有400V/55kW/20kHzIPM面市。
自1981年美国试制出第一个PIC以来，PIC技术获得了快速发展；今后，PIC必将朝着高压化、智能化的方向更快发展并进入普遍实用阶段。
电力电子器件的应用已深入到工业生产和社会生活的各个方面，实际的需要必将极大地推动器件的不断创新。微电子学中的超大规模集成电路技术将在电力电子器件的制作中得到更广泛的应用；具有高载流子迁移率、强的热电传导性以及宽带隙的新型半导体材料，如砷化镓、碳化硅、人造金刚石等的运用将有助于开发新一代高结温、高频率、高动态参数的器件。从结构看，器件将复合型、模块化；从性能看，发展方向将是提高容量和工作频率、降低通态压降、减小驱动功率、改善动态参数和多功能化；从应用看，MPS电力整流管、MOSFET、IGBT、MCT是最有发展前景的器件。今后研制工作的重点将是进一步改善MPS的软反向恢复特性，提高IGBT和MCT的开关频率和额定容量，研制智能MOSFET和IGBT模块，发展功率集成电路以及其它功率器件。GTO将继续在超高压、大功率领域发挥作用；功率MOSFET在高频、低压、小功率领域具有竟争优势；超高压(8000V以上)、大电流普通晶闸管在高压直流输电和静止无功功率补偿装置中的作用将会得到延续，而低压普通晶闸管和GTR则将逐步被功率MOSFET(600V以下)和IGBT(600V以上)所代替；MCT最具发展前途。可以预见，电力电子器件的发展将会日新月异，电力电子器件的未来将充满生机。6新型电力电子器件IGCT及其应用2010-3-24 16:47:00
IGCT是一种在大功率开关器件GTO基础上改进而成的新型大功率电力电子器件。和GTO相比，IGCT的关断时间降低了30%，功耗降低40%。IGCT不需要吸收电路，可以像晶闸管一样导通，像IGBT一样关断，并且具有最低的功率损耗。IGCT在使用时只需将它连接到一个20V的电源和一根光纤上就可以控制它的开通和关断。由于IGCT设计理想，使得IGCT的开通损耗可以忽略不计，再加上它的低导通损耗，使得它可以在以往大功率半导体器件所无法满足的高频率下运行。
概述
一个理想的功率器件，应当具有下列理想的静态和动态特性:
在截止状态时，能承受较高的电压；在导通状态时，能承受大电流并具有很低的压降；在开关转换时，开/关速度快，能承受很高的di/dt和dv/dt，同时还应具有全控功能。
自从50年代硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究工作者为达到上述理想目标做出了不懈的努力。60年代后期，可关断晶闸管GTO实现了门极可关断功能，并使斩波工作频率扩展到1kHz以上。70年代中期，高功率晶体管和功率MOSFET问世，功率器件实现了场控功能，打开了高频应用的大门。80年代，绝缘栅门控双极型晶体管（IGBT）问世，它综合了功率MOSFET和双极型功率晶体管两者的功能。它的迅速发展，又激励了人们对综合功率MOSFET和晶闸管两者功能的新型功率器件-MOSFET门控晶闸管的研究。因此，当前功率器件研究工作的重点主要集中在研究现有功率器件的性能改进、MOS门控晶闸管以及采用新型半导体材料制造新型的功率器件等。
大功率器件及其发展
门极关断晶闸管（GTO）
大功率晶闸管（SCR）在过去相当一段时间内，几乎是能够承受高电压和大电流的唯一半导体器件。因此，针对SCR的缺点，人们很自然地把努力方向引向了如何使晶闸管具有关断能力这一点上，并因此而开发出了门极关断晶闸管。
用GTO晶闸管作为逆变器件取得了较为满意的结果，但其关断控制较易失败，故仍较复杂，工作频率也不够高。而几乎是与此同时，电力晶体管（GTR）迅速发展起来，使GTO晶闸管相形见绰。因此，在大量的中小容量变频器中，7GTO晶闸管已基本不用。但因其工作电流大，故在大容量变频器中仍居主要地位。
绝缘栅双极晶体管（IGBT）
IGBT是MOSFET和GTR相结合的产物。其主体部分与晶体管相同，也有集电极（C）和发射极（E），但驱动部分却和场效应晶体管相同，是绝缘栅结构。
IGBT的工作特点是：
控制部分与场效应晶体管相同，控制信号为电压信号UGE，输人阻抗高，栅极电流IG≈0，驱动功率很小。而其主电路部分则与GTR相同，工作电流为集电极电流输入。此外，其工作频率可达20kHz。由IGBT作为逆变器件的变频器的载波频率一般都在10kHz以上，故电动机的电流波形比较平滑，基本无电磁噪声。
虽然硅双极型及场控型功率器件的研究已趋成熟，但是它们的性能仍在不断提高和改善，近年来出现的集成门极换流晶闸管（IGCT）可望迅速地取代GTO。
集成门极换流晶闸管（IGCT）
集成门极换流晶闸管IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor）是1996年问世的一种新型半导体开关器件。该器件是将门极驱动电路与门极换流晶闸管GCT集成于一个整体形成的。门极换流晶闸管GCT是基于GTO结构的一种新型电力半导体器件，它不仅有与GTO相同的高阻断能力和低通态压降，而且有与IGBT相同的开关性能，即它是GTO和IGBT相互取长补短的结果，是一种较理想的兆瓦级、中压开关器件，非常适合用于6kV和10kV的中压开关电路。IGCT芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器容量
0."5M～3MVA，三电平逆变器1M～6MVA。若反向二极管分离，不与IGCT 集成在一起，二电平逆变器容量可扩至
4."5MVA，三电平扩至9MVA，现在已有这类器件构成的变频器系列产品。目前，IGCT已经商品化，ABB公司制造的IGCT产品的最高性能参数为
4."5kV／4kA，最高研制水平为6kV／4kA。1998年，日本三菱公司开发了直径为88mm的6kV／4kA的GCT晶闸管。
IGCT的结构与工作原理
IGCT与GTO相似，也是四层三端器件，GCT内部由成千个GCT组成，阳极和门极共用，而阴极并联在一起。与GTO的重要差别是GCT阳极内侧多了缓冲层，以透明（可穿透）阳极代替GTO的短路阳极。其导通机理与GTO一样，但关断机理与GTO完全不同。在GCT的关断过程中，GCT能瞬间从导通转到阻断状态，变成一个PNP晶体管以后再关断，所以，它无外加du／dt限制；8
而GTO必须经过一个既非导通又非关断的中间不稳定状态进行转换，即"GTO区"，所以GTO需要很大的吸收电路来抑制重加电压的变化率du／dt。阻断状态下GCT的等效电路可认为是一个基极开路、低增益PNP晶体管与门极电源的串联。
GCT无中间区、无缓冲关断的机理在于，强关断时可使它的阴极注入瞬时停止，不参与以后过程。改变器件在双极晶体管模式下关断，前提是在P基N 发射结外施加很高负电压，使阳极电流很快由阴极转移（或换向）至门极（门极换向晶闸管即由此得名），不活跃的NPN管一停止注入，PNP管即因无基极电流容易关断。GCT成为PNP管早于它承受全阻断电压的时间，而GTO却是赟CR转态下承受全阻断电压的，所以GCT可像IGBT无缓冲运行，无二次击穿，拖尾电流虽大但时间很短。
IGCT的关键技术
（1）缓冲层在传统GTO、二极管及IGBT等器件中，采用缓冲层形成穿通型（PT）结构，与非穿通型（NPT）结构相比，它在相同的阻断电压下可使器件的厚度降低约30%。同理，在GCT中采用缓冲层，即用较薄的硅片可达到相同的阻断电压，因而提高了器件的效率，降低了通态压降和开关损耗，可得到较好的VT-Eoff。同时，采用缓冲层还使单片GCT与二极管的组合成为可能。
（2）透明阳极为了实现低的关断损耗，需要对阳极晶体管的增益加以限制，因而要求阳极的厚度要薄，浓度要低。透明阳极是一个很薄的PN结，其发射效率与电流有关。因为电子穿透该阳极时就像阳极被短路一样，因此称为透明阳极。传统的GTO采用阳极短路结构来达到相同目的。采用透明阳极来代替阳极短路，可使GCT的触发电流比传统无缓冲层的GTO降低一个数量级。GCT 的结构与IGBT相比，因不含MOS结构而从根本上得以简化。
（3）逆导技术GCT大多制成逆导型，它可与优化续流二极管FWD单片集成在同一芯片上。由于二极管和GCT享有同一个阻断结，GCT的P基区与二极管的阳极相连，这样在GCT门极和二极管阳极间形成电阻性通道。逆导GCT与二极管隔离区中因为有PNP结构，其中总有一个PN结反偏，从而阻断了GCT 与二极管阳极间的电流流通。
（4）极驱动技术IGCT触发功率小，可以把触发及状态监视电路和IGCT管芯做成一个整体，通过两根光纤输入触发信号，输出工作状态信号。GCT与门极驱动器相距很近（间距15cm），该门极驱动器可以容易地装人不同的装置中，因此可认为该结构是一种通用形式。为了使IGCT的结构更加紧凑和坚固，用门9
极驱动电路包围GCT，并与GCT和冷却装置形成一个自然整体，称为环绕型IGCT，其中包括GCT门极驱动电路所需的全部元件。这两种形式都可使门极电路的电感进一步减小，并降低了门极驱动电路的元件数、热耗散、电应力和内部热应力，从而明显降低了门极驱动电路的成本和失效率。所以说，IGCT在实现最低成本和功耗的前提下有最佳的性能。另外，IGCT开关过程一致性好，可以方便地实现串、并联，进一步扩大功率范围。
总之，在采用缓冲层、透明阳极、逆导技术和门极驱动技术后，IGCT从GTO中脱颖而出，在所有中高压领域及功率为
0."5M～100MVA的应用中代替了GTO。
IGCT变频器
低压IGBT和高压IGBT在高电压变频器中都采用。IGBT具有快速的开关性能，但在高压变频中其导电损耗大，而且需要许多IGBT复杂地串联在一起。
对低压IGBT来讲，高压IGBT串联的数量相对要少一些，但导电损耗却更高。
元件总体数量增加使变频器可靠性降低、柜体尺寸增大、成本提高。因此高压、大电流变频调速器在IGBT和GTO成熟技术的基础上，有了简洁的方案-IGC。
这个优化的技术包含了对GTO的重新设计，使其具有重要的设计突破。新的IGCT引进了快速、均衡换流和内在的低损耗，主要的设计性能含有可靠的阳极设计来达到快速泄流、低损耗薄型硅晶片使切换快速以及使用大功率半导体的集成型门驱动器。
由于IGCT象IGBT那样具有快速开关功能，象GTO那样导电损耗低，在高压、大电流各种应用领域中可靠性更高。IGCT装置中所有元件装在紧凑的单元中,降低了成本。IGCT采用电压源型逆变器，与其他类型变频器的拓扑结构相比，结构更简单，效率更高。对于
4."16kV的变频器，逆变器中需要24个高压IGBT，如使用低压IGBT，则需60个，而同类型变频器若采用IGCT，则只需12个。
优化的技术只需更少的元件，相同电压等级的变频器采用IGCT的数量只需低压IGBT的五分之
一。"并且，由于IGCT损耗很小，所需的冷却装置较小，因而内在的可靠性更高。更少的元件还意味着更小的体积。因此，使用IGCT的变频器比使用IGBT 的变频器简洁、可靠性高。
尽管IGCT变频器不需要限制du/dt的缓冲电路，但是IGCT本身不能控制
di/dt（这是IGCT的主要缺点），所以为了限制短路电流上升率，在实际电路中常串入适当电抗。整套逆变器由11个元器件组成：6个IGCT（带集成反向二极10
管），1个电抗，1个钳位二极管，1个钳位电容和1个电阻，一套门极驱动电源。
一套3MVA的逆变器外形尺寸仅为780mmx590rnmx333mm，结构紧凑，并且元器件数少、可靠性高、成本低。
有效硅面积小、低损耗、快速开关这些优点保证了IGCT能可靠、高效地用于300kVA～10MVA变流器，而不需要串联或并联。在串联时，逆变器功率可扩展到100MVA。虽然高功率的IGBT模块具有一些优良的特性，如能实现di/dt和dv/dt的有源控制、有源箝位、易于实现短路电流保护和有源保护等。但因存在
着导通损耗高、硅有效面积利用率低、损坏后造成开路以及无长期可靠运行数据等缺点，限制了高功率IGBT模块在高功率低频变流器中的实际应用。因此在大功率MCT问世以前，IGCT可望成为高功率高电压变灯。
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半导体器件工艺基础知识
半导体基础知识和半导体器件工艺 第一章半导体基础知识 通常物质根据其导电性能不同可分成三类。第一类为导体，它可以很好的传导电流，如：金属类，铜、银、铝、金等；电解液类：NaCl水溶液，血液，普通水等以及其它一些物体。第二类为绝缘体，电流不能通过，如橡胶、玻璃、陶瓷、木板等。第三类为半导体，其导电能力介于导体和绝缘体之间，如四族元素Ge锗、Si硅等，三、五族元素的化合物GaAs砷化镓等，二、六族元素的化合物氧化物、硫化物等。 物体的导电能力可以用电阻率来表示。电阻率定义为长1厘米、截面积为1平方厘米的物质的电阻值，单位为欧姆*厘米。电阻率越小说明该物质的导电性能越好。通常导体的电阻率在10-4欧姆*厘米以下，绝缘体的电阻率在109欧姆*厘米以上。 半导体的性质既不象一般的导体，也不同于普通的绝缘体，同时也不仅仅由于它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于半导体具有以下的特殊性质： (1) 温度的变化能显著的改变半导体的导电能力。当温度升高时，电阻率会降低。比如Si在200℃时电阻率比室温时的电阻率低几千倍。可以利用半导体的这个特性制成自动控制用的热敏组件（如热敏电阻等），但是由于半导体的这一特性，容易引起热不稳定性，在制作半导体器件时需要考虑器件自身产生的热量，需要考虑器件使用环境的温度等，考虑如何散热，否则将导致器件失效、报废。 (2) 半导体在受到外界光照的作用是导电能力大大提高。如硫化镉受到光照后导电能力可提高几十到几百倍，利用这一特点，可制成光敏三极管、光敏电阻等。 (3) 在纯净的半导体中加入微量（千万分之一）的其它元素（这个过程我们称为掺杂），可使他的导电能力提高百万倍。这是半导体的最初的特征。例如在原子密度为5*1022/cm3的硅中掺进大约5X1015/cm3磷原子，比例为10-7（即千万分之一），硅的导电能力提高了几十万倍。 物质是由原子构成的，而原子是由原子核和围绕它运动的电子组成的。电子很轻、很小，带负电，在一定的轨道上运转；原子核带正电，电荷量与电子的总电荷量相同，两者相互吸引。当原子的外层电子缺少后，整个原子呈现正电，缺少电子的地方产生一个空位，带正电，成为电洞。物体导电通常是由电子和电洞导电。 前面提到掺杂其它元素能改变半导体的导电能力，而参与导电的又分为电子和电洞，这样掺杂的元素（即杂质）可分为两种：施主杂质与受主杂质。 将施主杂质加到硅半导体中后，他与邻近的4个硅原子作用，产生许多自由电子参与导电，而杂质本身失去电子形成正离子，但不是电洞，不能接受电子。这时的半导体叫N型半导体。施主杂质主要为五族元素：锑、磷、砷等。 将施主杂质加到半导体中后，他与邻近的4个硅原子作用，产生许多电洞参与导电，这时的半导体叫p型半导体。受主杂质主要为三族元素：铝、镓、铟、硼等。 电洞和电子都是载子，在相同大小的电场作用下，电子导电的速度比电洞
功率半导体器件在我国的发展现状
功率半导体器件在我国的发展现状 MOSFET是由P极、N极、G栅极、S源极和D漏级组成。它的导通跟阻断都由电压控制，电流可以双向流过，其优点是开关速度很高，通常在几十纳秒到几百纳秒，开关损耗小，适用于各类开关电源。但它也有缺点，那就是在高压环境下压降很高，随着电压的上升，电阻变大，传导损耗很高。 随着电子电力领域的发展，IGBT出现了。它是由BJT和MOS组成的复合式半导体，兼具二者的优点，都是通过电压驱动进行导通的。IGBT克服了MOS的缺点，拥有高输入阻抗和低导通压降的特点。因此，其广泛应用于开关电源、电车、交流电机等领域。 如今，各个行业的发展几乎电子化，对功率半导体器件的需求越来越大，不过现在功率半导体器件主要由欧美国家和地区提供。我国又是全球需求量最大的国家，自给率仅有10%，严重依赖进口。功率半导体器件的生产制造要求特别严格，需要具备完整的晶圆厂、芯片制造厂、封装厂等产业链环节。国内企业的技术跟资金条件暂时还无法满足。 从市场格局来看，全球功率半导体市场中，海外龙头企业占据主导地位。我国功率半导体器件的生产制造还需要付出很大的努力。制造功率半导体器件有着严格的要求，每一道工序都需要精心控制。最后的成品仍需要经过专业仪器的测试才能上市。这也是为半导体器件生产厂家降低生产成本，提高经济效益的体现。没有经过测试的半导体器件一旦哪方面不及格，则需要重新返工制造，将会增加了企业的生产成本。
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常用电子元器件培训资料
常用电子元器件参考资料第一节部分电气图形符号
二．半导体管 三．其它电气图形符号
第二节常用电子元器件型号命名法及主要技术参数一．电阻器和电位器 1．电阻器和电位器的型号命名方法 示例： (1)精密金属膜电阻器 R J7 3 第四部分：序号 第三部分：类别（精密） 第二部分：材料（金属膜） 第一部分：主称（电阻器） (2) 多圈线绕电位器 W X D 3 第四部分：序号 第三部分：类别（多圈） 第二部分：材料（线绕） 第一部分：主称（电位器）
2．电阻器的主要技术指标 (1) 额定功率 电阻器在电路中长时间连续工作不损坏，或不显著改变其性能所允许消耗的最大功率称为电阻器的额定功率。电阻器的额定功率并不是电阻器在电路中工作时一定要消耗的功率，而是电阻器在电路工作中所允许消耗的最大功率。不同类型的电阻具有不同系列的额定功率，如表2所示。 (2) 标称阻值 阻值是电阻的主要参数之一，不同类型的电阻，阻值范围不同，不同精度的电阻其阻值系列亦不同。根据国家规范，常用的标称电阻值系列如表3所示。E24、E12和E6系列也适用于电位器和电容器。 (3) 允许误差等级 3．电阻器的标志内容及方法 (1)文字符号直标法：用阿拉伯数字和文字符号两者有规律的组合来表示标称阻值，额定功率、允许误差等级等。符号前面的数字表示整数阻值，后面的数字依次表示第一位小数阻值和第二位小数阻值，其文字符号所表示的单位如表5所示。如1R5表示1.5Ω，2K7表示2.7kΩ， 表５
例如： RJ71－0.125－5k1－II 允许误差±10% 标称阻值(5.1kΩ) 额定功率1/8W 型号 由标号可知，它是精密金属膜电阻器，额定功率为1/8W，标称阻值为5.1kΩ，允许误差为±10%。 (2)色标法：色标法是将电阻器的类别及主要技术参数的数值用颜色（色环或色点）标注在它的外表面上。色标电阻（色环电阻）器可分为三环、四环、五环三种标法。其含义如图1和图2所示。 标称值第一位有效数字 标称值第二位有效数字 标称值有效数字后0的个数 允许误差 图1 两位有效数字阻值的色环表示法 三色环电阻器的色环表示标称电阻值（允许误差均为±20%）。例如，色环为棕黑红，表示10?102＝1.0kΩ±20%的电阻器。 四色环电阻器的色环表示标称值（二位有效数字）及精度。例如，色环为棕绿橙金表示15?103＝15kΩ±5%的电阻器。 五色环电阻器的色环表示标称值（三位有效数字）及精度。例如，色环为红紫绿黄棕表示275?104＝2.75MΩ±1%的电阻器。
功率器件的发展历程
功率器件的发展历程 IGBT、GTR、GTO、MOSFET、IGBT、IGCT…… 2009-12-08 08:49 引言 电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。从1958年美国通用电气(GE)公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。到了70年代，晶闸管开始形成由低压小电流到高压大电流的系列产品。同时，非对称晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等晶闸管派生器件相继问世，广泛应用于各种变流装置。由于它们具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、响应快等优点，其研制及应用得到了飞速发展。 由于普通晶闸管不能自关断，属于半控型器件，因而被称作第一代电力电子器件。在实际需要的推动下，随着理论研究和工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展，先后出现了GTR、GTO、功率MOSET等自关断、全控型器件，被称为第二代电力电子器件。近年来，电力电子器件正朝着复合化、模块化及功率集成的方向发展，如IGPT、MCT、HVIC等就是这种发展的产物。 电力整流管 整流管产生于本世纪40年代，是电力电子器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。目前已形成普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管等三种主要类型。其中普通整流管的特点是： 漏电流小、通态压降较高(1 0～1 8V)、反向恢复时间较长(几十微秒)、可获得很高的电压和电流定额。多用于牵引、充电、电镀等对转换速度要求不高的装置中。较快的反向恢复时间(几百纳秒至几微秒)是快恢复整流管的显著特点，但是它的通态压降却很高(1 6～4 0V)。它主要用于斩波、逆变等电路中充当旁路
功率半导体器件 LDMOS VDMOS
关于功率MOSFET（VDMOS & LDMOS）的报告 ---时间日期：2009.11.12 ---报告完成人：祝靖1．报告概况与思路 报告目的：让研一新同学从广度认识功率器件、了解功率器件的工作原理，起到一个启蒙的作用，重点在“面”，更深层次的知识需要自己完善充实。 报告内容：1）从耐压结构入手，说明耐压原理； 2）从普通MOS结构到功率MOS结构的发展；（功率MOS其实就是普通MOS结构和耐 压结构的结合）； 3）纵向功率MOS（VDMOS）的工作原理； 4）横向功率MOS（LDMOS）的工作原理； 5）功率MOSFET中的其它关键内容；（LDMOS和VDMOS共有的，如输出特性曲线）报告方式：口头兼顾板书，点到即止，如遇到问题、疑惑之处或感兴趣的地方，可以随时打断提问。 2．耐压结构（硅半导体材料） 目前在我们的研究学习中涉及到的常见耐压结构主要有两种：①反向PN结②超结结构(包括)； 2.1 反向PN结（以突变结为例） 图2.1所示的是普通PN结的耐压原理示意图，当这个PN结工作在一定的反向电压下，在PN结内部就会产生耗尽层，P区一侧失去空穴会剩下固定不动的负电中心，N区一侧会失去电子留下固定不动的正电中心，并且正电中心所带的总电量＝负电中心所带的总电量，如图2.1a所示，A区就是所谓耗尽区。 图2.1b所示的是耗尽区中的电场分布情况（需熟悉了解），耗尽区以外的电场强度为零，Em称为峰值电场长度（它的位置在PN，阴影部分的面积就是此时所加在PN P区和N区共同耐压。图2.2所示的是P+N结的情况，耐压原理和图1中的相同，但是在这种情况中我们常说N负区是耐压区域(常说的漂移区) (a) (b) 图2.1 普通PN结耐压示意图（N浓度＝P浓度）图2.2 P＋N结耐压示意图（N浓度< 中国功率半导体行业研究-行业概况、发展概况 1、半导体行业概况 （1）全球半导体行业发展概况 半导体是电子产品的核心，信息产业的基石。半导体行业具有下游应用广泛、生产技术工序多、产品种类多、技术更新换代快、投资高、风险大等特点，全球半导体行业具有一定的周期性，景气周期与宏观经济、下游应用需求以及自身产能库存等因素密切相关。 根据全球半导体贸易统计组织，全球半导体行业2018年市场规模达到4,688亿美元，较2017年增长约13.7%。过去五年，随着智能手机、平板电脑为代表的新兴消费电子市场的快速发展，以及汽车电子、工业控制、物联网等科技产业的兴起，强力带动了整个半导体行业规模迅速增长。 资料来源：全球半导体贸易统计组织 全球半导体贸易统计组织数据显示，2018年美国半导体行业市场规模约为1,030亿美元，占全球市场的21.97%；欧洲半导体行业市场规模约为430亿美元，约占全球市场的9.16%。亚太地区半导体行业近年来发展迅速，已成为全球最大的半导体市场。亚太地区（除日本外）市场规模达2,829亿美元，已占据全球市场60.34%的市场份额，中国大陆地区是近年来全球半导体市场增速最快的地区之一。 数据来源：全球半导体贸易统计组织 目前全球半导体产业呈现由头部厂商所主导的态势，2018年前十大半导体厂商销售收入占比达到了59.3%，前十大半导体厂商的销售额2018年较2017年平均增长率高达18.5%，市场份额较为集中，行业马太效应显著。 数据来源：Gartner （2）中国半导体行业发展概况 中国本土半导体行业起步较晚。但在政策支持、市场拉动及资本推动等因素合力下，中国半导体行业不断发展。步入21世纪以来，中国半导体产业市场规模得到快速增长。2018年，中国半导体产业市场规模达6,531亿元，比上年增长20.7%。2013-2018年中国半导体市场规模的复合增长率达21.09%，显著高于同期世界半导体市场的增速。 “power semiconductor device”和“power integrated circuit(简写为power IC或PIC)”直译就是功率半导体器件和功率集成电路。 在国际上与该技术领域对应的最权威的学术会议就叫做International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs，即功率半导体器件和功率集成电路国际会议。 “power”这个词可译为动力、能源、功率等，而在中文里这些词的含义不是完全相同的。由于行业的动态发展，“power”的翻译发生了变化。 从上世纪六七十年代至八十年代初，功率半导体器件主要是可控硅整流器(SCR)、巨型晶体管(GTR)和其后的栅关断晶闸管(GTO)等。它们的主要用途是用于高压输电，以及制造将电网的380V或220V交流电变为各种各样直流电的中大型电源和控制电动机运行的电机调速装置等，这些设备几乎都是与电网相关的强电装置。因此，当时我国把这些器件的总称———power semiconductor devices没有直译为功率半导体器件，而是译为电力电子器件，并将应用这些器件的电路技术power electronics没有译为功率电子学，而是译为电力电子技术。与此同时，与这些器件相应的技术学会为中国电工技术学会所属的电力电子分会，而中国电子学会并没有与之相应的分学会；其制造和应用的行业归口也划归到原第一机械工业部和其后的机械部，这些都是顺理成章的。实际上从直译看，国外并无与电力电子相对应的专业名词，即使日本的“电力”与中文的“电力”也是字型相同而含义有别。此外，当时用普通晶体管集成的小型电源电路———功率集成电路，并不归属于电力电子行业，而是和其他集成电路一起归口到原第四机械工业部和后来的电子工业部。 20世纪80年代以后，功率半导体行业发生了翻天覆地的变化。功率半导体器件变为以功率金属氧化物半导体场效应晶体管(功率MOSFET，常简写为功率MOS)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及功率集成电路(power IC，常简写为PIC)为主。 这一转变的主要原因是，这些器件或集成电路能在比以前高10倍以上的频率下工作，而电路在高频工作时能更节能、节材，能大幅减少设备体积和重量。尤其是集成度很高的单片片上功率系统(power system on a chip，简写PSOC)，它能把传感器件与电路、信号处理电路、接口电路、功率器件和电路等集成在一个硅芯片上，使其具有按照负载要求精密调节输出和按照过热、过压、过流等情况自我进行保护的智能功能，其优越性不言而喻。国际专家把它的发展喻为第二次电子学革命。 2015年功率半导体器件行业简析 一、行业的定义与分类 (2) 二、行业的发展历史和现状 (3) 三、行业规模 (4) 四、行业的周期性 (6) 五、进入本行业的壁垒 (6) 1、技术壁垒 (6) 2、客户服务壁垒 (7) 六、行业风险因素 (7) 1、投入不足 (7) 2、质量意识差 (8) 七、影响行业未来发展趋势的因素 (8) 1、电子元器件微型化 (8) 2、电子元器件集成化 (9) 3、产业政策大力支持 (9) 一、行业的定义与分类 功率半导体器件是进行电能（功率）处理的半导体产品，典型的功率处理功能包括变频、变压、变流、功率放大和功率管理等，是弱电控制与强电运行间的桥梁，其中大部分是既能耐高压也能承受大电流。半导体产业的发展始于分立器件，所谓“分立”，一般是指被封装的半导体器件仅含单一元件(为了产品应用需要，部分分立器件封装实际上包含二个或多个元件或器件)，它必须和其它类型的元件相结合，才能提供类似放大或开关等基本电学功能。 从产品结构来分，功率半导体分立器件可分为二极管、三极管、功率晶体管、功率集成电路等几大类产品，其中功率晶体管包括有MOSFET和IGBT等。从功率处理能力来分，功率半导体分立器件可分为四大类，包括低压小功率分立器件(电压低于200V，电流小于200mA)、中功率分立器件(电压低于200V，电流小于5A)、大功率分立器件(电压低于500V，电流小于40A)、高压特大功率分立器件(电压低于2,000V，电流小于40A)。 每个电子产品均离不开功率半导体技术。功率半导体的目的是使电能更高效、更节能、更环保并给使用者提供更多方便。如通过变频来调速，使变频空调在节能50-70％的同时，更环保、更安静、让人更舒适。人们希望便携式电子产品一次充电后有更长的使用时间，在电池没有革命性进步以前，需要更高性能的功率半导体器件进行高效的电源管理。正是由于功率半导体能将“粗电”变为“精电”，因此它是 2017年功率半导体器件行业分析报告 2017年11月 目录 一、功率半导体器件，电力控制的核心器件 (4) 1、功率半导体器件的作用 (4) 2、功率半导体器件市场分析 (8) 二、下游需求旺盛，功率半导体器件交货期延长 (10) 三、常见的功率半导体器件 (11) 1、MOSFET (11) 2、IGBT (13) 四、国内功率半导体进口替代进行时 (19) 1、捷捷微电：具备晶闸管自主设计和制造能力，进口替代空间大 (19) 2、扬杰科技：积极布局SiC宽禁带功率半导体器件 (21) 3、士兰微：国家大基金入股，8寸线如期试产 (22) 4、华微电子：第六代IGBT产品研发成功 (23) 功率半导体器件可以用来控制电路通断，从而实现电力的整流、逆变、变频等变换。一般将额定电流超过1A 的半导体器件归类为功率半导体器件，这类器件的阻断电压分布在几伏到上万伏。常见的功率半导体器件有金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管芯片（IGBT）及模块等。 半导体功率器件广泛应用于汽车、家电、光伏、风电、轨交等领域，渗透进了人们生活的方方面面。从2016年下半年开始，功率半导体器件行情回暖，需求持续旺盛，但是受限于产能，原厂交货周期开始延长。一般来说MOSFET、整流管和晶闸管的交货周期是8周左右，但现在部分MOSFET、整流管和晶闸管交期已被延长到24至30周。 我国的功率半导体器件的起步虽然较晚，但是市场规模增长迅速。从2011年的1386亿元增长到2016年的2088亿元，年均复合增速达8.53%，已经成为全球最大的功率半导体市场之一。但是我国的功率半导体生产厂商与国际巨头相比还有较大差距。目前全球主要的功率半导体厂商均为英飞凌、德仪、STM、恩智浦等国外企业。国内功率半导体器件需要大量进口，如IGBT 有90%依赖进口，因此进口替代空间巨大。 为推动我国半导体产业的发展，2014年国家成立了千亿规模的国家集成电路产业投资基金（简称“大基金”）。由于从本质上讲，功率半导体器件与集成电路（IC）芯片非常类似，它们都由PN结、双极型晶体管、MOS 结构构成，因此两者的理论基础相同，大多数工艺也相同。因此大基金的设立也有利于功率半导体器件的发展。2016 一、电子及传感器基础知识、元器件基础知识前言： PCBA维修原则： 1、首先，要确认不良现象，排除误判误测，不良现象要有可重复性； 2、第二，要对外观进行复检，及时发现是否存在有错料，少料，多料等简单的外观不良； 3、第三，要找出维修记录或维修速查表，针对相应电子元件作检查。确认不良元件时可以与良 品交替互换或从电路板上拆除后单独测量； 4、第四，要找出PCBA功能的原理图，对照相应电路模块作检查，测量相关元件是否存在不良； 5、第五，如果是批量性不良，或以上方法无法维修的不良，可能是设计缺陷。 1、电子基础知识 电路的基本原理：电流，电压，电阻，电荷 电流是电荷在导线内流动的现象，电流的测量单位是安培(A)。电荷分为正电荷和负电荷二种。物质中的电子带有负电荷;而质子带有正电荷。电荷在导线内会由高电位的地方流向低电位的地方。电位的高低便形成了电位差，我们称为电压。电压愈大，流动的电流便愈大，电压的测量单位是伏特(V)。电流流动时会遇到阻力，就是电阻。每种物质都有电阻值，优良的导体如铜、白金等，它们的电阻很小，电流很容易通过。电阻很大，大到电流无法通过的物质就是绝缘体，而介于导体和绝缘体之间就是半导体。电阻的测量单位是欧姆(Ω)。 电流 是指电线中电子流动的相反方向，也就是质子流动的方向，通常以Ｉ表示，其单位为安培 A(Ampere)。直流电的电流方向固定由正极流向负极，并不会随时间而改变；而交流电的电流流向则会不断地交替变化，例如公司用电的电流便是每秒正负极交替变换50次的交流电，称为50赫兹(Hz)。而在台湾地区交流电的频率为60Hz。 电压 是指能使电在电线中流动的力量，通常以E表示，其单位为伏特V(Volt)，电流一般都是从高电压流向低电压，通常电源电位较高的一端以"+"号表示，而电位较低的一端则以"_"表示。电池、水银电池等，电压包含1.5V、3V、9V等，而家庭用电电压在台湾、美国日本为交流110V；在大陆为220V；欧州为240V。 电阻 是指阻挡电流在电线流动的阻力，通常以R表示，其单位为欧姆，任何物体都具有电阻，如同水流一般，物体的电阻大小随材质、长度、大小而异。电阻值大到不能导电的物质称为「绝缘体」，如塑料、木材等。电阻会消耗能量，消耗的能量通常以热的形式呈现，所以传输材料的电阻值愈低愈好，因此一般电线便采用导电性佳的铜线，为了减低能源的消耗，「低温超导体」已成为新兴的科技了。 电路符号示例 电路是由各种不同的组件组成，其相互关系通常使用电路图描述，而电路图的每个基本组件均使用电路符号表示。下图是摘取ATA2001(1866)一部分电路图为例。 如下图： 半导体基础知识和半导 体器件工艺 Standardization of sany group #QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN# 半导体基础知识和半导体器件工艺 第一章半导体基础知识 通常物质根据其导电性能不同可分成三类。第一类爲导体，它可以很好的传导电流，如：金属类，铜、银、铝、金等；电解液类：NaCl水溶液，血液，普通水等以及其他一些物体。第二类爲绝缘体，电流不能通过，如橡胶、玻璃、陶瓷、木板等。第三类爲半导体，其导电能力介於导体和绝缘体之间，如四族元素Ge锗、Si矽等，三、五族元素的化合物GaAs砷化镓等，二、六族元素的化合物氧化物、硫化物等。 物体的导电能力可以用电阻率来表示。电阻率定义爲长1厘米、截面积爲1平方厘米的物质的电阻值，单位爲欧姆*厘米。电阻率越小说明该物质的导电性能越好。通常导体的电阻率在10-4欧姆*厘米以下，绝缘体的电阻率在109欧姆*厘米以上。 半导体的性质既不象一般的导体，也不同于普通的绝缘体，同时也不仅仅由於它的导电能力介於导体和绝缘体之间，而是由於半导体具有以下的特殊性质： (1) 温度的变化能显着的改变半导体的导电能力。当温度升高时，电阻率会降低。比如Si在200℃时电阻率比室温时的电阻率低几千倍。可以利用半导体的这个特性制成自动控制用的热敏元件（如热敏电阻等），但是由於半导体的这一特性，容易引起热不稳定性，在制作半导体器件时需要考虑器件自身産生的 热量，需要考虑器件使用环境的温度等，考虑如何散热，否则将导致器件失效、报废。 (2) 半导体在受到外界光照的作用是导电能力大大提高。如硫化镉受到光照後导电能力可提高几十到几百倍，利用这一特点，可制成光敏三极管、光敏电阻等。 (3) 在纯净的半导体中加入微量（千万分之一）的其他元素（这个过程我们称爲掺杂），可使他的导电能力提高百万倍。这是半导体的最初的特徵。例如在原子密度爲5*1022/cm3的矽中掺进大约5X1015/cm3磷原子，比例爲10-7（即千万分之一），矽的导电能力提高了几十万倍。 物质是由原子构成的，而原子是由原子核和围绕它运动的电子组成的。电子很轻、很小，带负电，在一定的轨道上运转；原子核带正电，电荷量与电子的总电荷量相同，两者相互吸引。当原子的外层电子缺少後，整个原子呈现正电，缺少电子的地方産生一个空位，带正电，成爲电洞。物体导电通常是由电子和电洞导电。 前面提到掺杂其他元素能改变半导体的导电能力，而参与导电的又分爲电子和电洞，这样掺杂的元素（即杂质）可分爲两种：施主杂质与受主杂质。 将施主杂质加到矽半导体中後，他与邻近的4个矽原子作用，産生许多自由电子参与导电，而杂质本身失去电子形成正离子，但不是电洞，不能接受电子。这时的半导体叫N型半导体。施主杂质主要爲五族元素：锑、磷、砷等。 将施主杂质加到半导体中後，他与邻近的4个矽原子作用，産生许多电洞参与导电，这时的半导体叫p型半导体。受主杂质主要爲三族元素：铝、镓、铟、硼等。 中国半导体产业发展历史大事记之二 ◎分立器件发展阶段（１９５６--１９６５） １９５６年中国提出“向科学进军”，国家制订了发展各门尖端科学的“十二年科学技术发展远景规划”，明确了目标。根据国外发展电子器件的进程，提出了中国也要研究发展半导体科学，把半导体技术列为国家四大紧急措施之一。从半导体材料开始，自力更生研究半导体器件。为了落实发展半导体规划，中国科学院应用物理所首先举行了半导体器件短期训练班。请回国的半导体专家内昆、吴锡九、黄敞、林兰英、王守武、成众志等讲授半导体理论、晶体管制技术和半导体线路。参加短训班的约１００多人。 当时国家决定由五所大学-北京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学和南京大学联合在北京大学半导体物理专来，共同培养第一批半导体人才。五校中最出名的教授有北京大学的黄昆、复旦大学的谢希德和吉林大学的高鼎三。１９５７年就有一批毕业生，其中有现在成为中国科学院院士的王阳元（北京大学）、工程院院士的许居衍（华晶集团公司）和电子工业部总工程师俞忠钰等人。之后，清华大学等一批工科大学也先后设置了半导体专业。 中国半导体材料从锗（Ｇｅ）开始。通过提炼煤灰制备了锗材料。１９５７年北京电子管厂通过还原氧化锗，拉出了锗单晶。中国科学院应用物理研究所和二机部十局第十一研究所开发锗晶体管。前者由王守武任半导体实验室主任，后者由武尔桢负责。１９５７可国依靠自己的技术开发，相继研制出锗点接触二极管和三极管（即晶体管）。为了加强半导体的研究，中国科学院于１９６０年在北京建立了半导体研究所，同年在河北省石家庄建立了工业性专业研究所-第十三研究所，即现在的河北半导体研究所。到六十年代初，中国半导体器件开始在工厂生产。此时，国内搞半导体器件的已有十几个厂点。当时北方以北京电子管厂为代表，生产了ＩＩ－６低频合金管和ＩＩ４０１高频合金扩散管；南方以上海元件五厂为代表。 在锗之后，很快也研究出其他半导体材料。１９５９年天津拉制了硅（Ｓｉ）单晶。１９６２年又接制了砷化镓（ＧａＡｓ）单晶，后来也研究开发了其他种化合物半导体。 硅器件开始搞的是合金管。１９６２年研究成外延工艺，并开始研究采用照相制版、光刻工艺，河北半导体研究所在１９６３年搞出了硅平面型晶体管，１９６４年搞出了硅外延平面型晶体管。在平面管之前不久，也搞过错和硅的台面扩散管，但一旦平面管研制出来后，绝大部分器件采用平面结构，因为它更适合于批量生产。 13种常用的功率半导体器件介绍 电力电子器件（Power Electronic Device），又称为功率半导体器件，用于电能变换和电能控制电路中的大功率（通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上）电子器件。可以分为半控型器件、全控型器件和不可控型器件，其中晶闸管为半控型器件，承受电压和电流容量在所有器件中最高；电力二极管为不可控器件，结构和原理简单，工作可靠；还可以分为电压驱动型器件和电流驱动型器件，其中GTO、GTR为电流驱动型器件，IGBT、电力MOSFET为电压驱动型器件。 1. MCT （MOS Control led Thyristor）：MOS控制晶闸管 MCT 是一种新型MOS 与双极复合型器件。如上图所示。MCT是将MOSFET 的高阻抗、低驱动图MCT 的功率、快开关速度的特性与晶闸管的高压、大电流特型结合在一起，形成大功率、高压、快速全控型器件。实质上MCT 是一个MOS 门极控制的晶闸管。它可在门极上加一窄脉冲使其导通或关断，它由无数单胞并联而成。它与GTR，MOSFET，IGBT，GTO 等器件相比，有如下优点： （1）电压高、电流容量大，阻断电压已达3 000V，峰值电流达1 000 A，最大可关断电流密度为6000kA/m2； （2）通态压降小、损耗小，通态压降约为11V； （3）极高的dv/dt和di/dt耐量，dv/dt已达20 kV/s ，di/dt为2 kA/s； （4）开关速度快，开关损耗小，开通时间约200ns，1 000 V 器件可在2 s 内关断； 2. IGCT（Intergrated Gate Commutated Thyristors） IGCT 是在晶闸管技术的基础上结合IGBT 和GTO 等技术开发的新型器件，适用于高压大容量变频系统中，是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。 IGCT 是将GTO 芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点。在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。IGCT 芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器功率0.5~ 3 MW，三电平逆变器1~ 6 MW；若反向二极管分离，不与IGCT SiC功率半导体器件技术发展现状及市场前景 近年来，Si功率器件结构设计和制造工艺日趋完善，已经接近其材料特性决定的理论极限，依靠Si器件继续完善来提高装置与系统性能的潜力十分有限。本文首先介绍了SiC功率半导体器件技术发展现状及市场前景，其次阐述了SiC功率器件发展中存在的问题，最后介绍了SiC功率半导体器件的突破。 SiC功率半导体器件技术发展现状1、碳化硅功率二极管 碳化硅功率二极管有三种类型：肖特基二极管（SBD）、PiN二极管和结势垒控制肖特基二极管（JBS）。由于存在肖特基势垒，SBD具有较低的结势垒高度。因此，SBD具有低正向电压的优势。SiC SBD的出现将SBD的应用范围从250 V提高到了1200 V。同时，其高温特性好，从室温到由管壳限定的175℃，反向漏电流几乎没有增加。在3 kV以上的整流器应用领域，SiC PiN和SiC JBS二极管由于比Si整流器具有更高的击穿电压、更快的开关速度以及更小的体积和更轻的重量而备受关注。 2、单极型功率晶体管，碳化硅功率MOSFET器件 硅功率MOSFET器件具有理想的栅极电阻、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性。在300V以下的功率器件领域，是首选的器件。有文献报道已成功研制出阻断电压10 kV 的SiC MOSFET。研究人员认为，碳化硅MOSFET器件在3kV～5 kV领域将占据优势地位。尽管遇到了不少困难，具有较大的电压电流能力的碳化硅MOSFET器件的研发还是取得了显著进展。 另外，有报道介绍，碳化硅MOSFET栅氧层的可靠性已得到明显提高。在350℃条件下有良好的可靠性。这些研究结果表明栅氧层将有希望不再是碳化硅MOSFET的一个显著的问题。 3、碳化硅绝缘栅双极晶体管（SiC BJT、SiC IGBT）和碳化硅晶闸管（SiC Thyristor） 最近报道了阻断电压12kV的碳化硅P型IGBT器件，并具有良好的正向电流能力。碳化硅IGBT器件的导通电阻可以与单极的碳化硅功率器件相比。与Si双极型晶体管相比，SiC 双极型晶体管具有低20～50倍的开关损耗以及更低的导通压降。SiC BJT主要分为外延发 自从50年代，硅晶闸管问世以后，50多年来，功率半导体器件的研究工作者为达到理想化的目标做出了不懈的努力，并以取得了使世人瞩目的成就。60年代后期，可关断晶闸管GTO实现了门极可关断功能，并使斩波工作频率扩展到1KHZ以上。70年代中期，大功率晶体管和功率MOSFET 问世，功率器件实现了场控功能，打开了高频应用的大门。80年代，绝缘栅双极晶体管（IGBT）问世，它综合了功率MOSFET和双极型功率晶体管两者的功能。因此，当前功率器件研究工作的重点主要集中在研究现有功率器件的集成性能，MOS门控晶体管的改进，以及采用新型半导体材料制造新型的功率器件等。 瑞士ABB半导体公司是ABB集团的全资子公司，是世界上最著名的大功率半导体生产商之一。西安赛晶电子科技责任有限公司是瑞士ABB 半导体公司在中国的首家代理，本公司在为客户提供先进的大功率半导体器件的同时，以西安电力电子技术研究所为其坚强的技术后盾，为客户提供较强的技术支持和服务。 一大功率半导体器件的最新发展 1．普通晶闸管(PCT) PCT自问世以来，其功率容量已提高了近3000倍。现在许多国家已能稳定生产Φ100mm，8000V/4000A的晶闸管。日本现在已能稳定生产8000V/4000A和6000V/6000A的光触发晶闸管。近十几年来，由于自关断器件的飞速发展，晶闸管的应用领域有所缩小，但是，由于它的高电压、大电流特性，它在HVDC，静止无功补偿（SVC），大功率直流电源及超大功率和高压变频调速等方面仍然占有十分重要的地位。预计在今后若干年内，晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。 2、门极可关断晶闸管(GTO) 1982年日本日立公司首先研制成功2500V,1000A的GTO。许多的生产商可提供额定开关功率36MVA(6000V,6000A)用的高压大电流GTO。为了折衷它的导通、开通和关断特性，传统GTO的典型的关断增量仅为3-5。GTO关断期间的不均匀性使GTO关断期间dv/dt必须限制在 500-1000v/μs。为此,人们不得不使用体积大、笨重、昂贵的吸收电路。它的其他缺点是门极驱动电路较复杂和要求较大的驱动功率。但是，高的导通电流密度、高的阻断电压、阻断状态下高的dv/dt耐量和有可能在内部集成一个反并二极管，这些突出的优点仍使人们对GTO感兴趣。到目前为止，传统的GTO在高压（VBR>3300V）/大功率（0.5-20MVA）牵引、工业和电力逆变器中是应用得最为普遍得门控功率半导体器件。目前，GTO的最高研究水平为6英寸、6000V/6000A以及9000V/10000A。这种GTO采用了大直径均匀结技术和全压接式结构，通过少子寿命控制技术折衷了GTO导通电压与关断损耗两者之间的矛盾。由于GTO具有门极全控功能，它正在许多应用领域逐步代替PCT。为了满足电力系统对1兆VA以上的三相逆变功率电压源的需要，近期很可能开发10，000A,12,000V的GTO,并可能解决30多个高压GTO串联的技术，可望使电力电子技术在电力系统应用方面再上一个台阶。 3、绝缘栅双极晶体管（IGBT） 半导体功率器件的散热计算 佛山职业技术学院陈荣光 【摘要】本文通过对半导体功率器件发热及传热机理的讨论，导出了半导体功率器件的散热计算方法。 【关键词】半导体功率器件功耗发热热阻散热器强制冷却 一、半导体功率器件的类型和功耗特点 一般地说，半导体功率器件是指耗散功率在1瓦或以上的半导体器件。 按照半导体功率器件的运用方式，可分为半导体功率放大器件和半导体功率开关器件。 1、半导体功率放大器件 半导体功率放大器又因其放大电路的类型分为甲类放大器、乙类推挽放大器、甲乙类推挽放大器和丙类放大器。甲类放大器的理论效率只有50%，实际运用时则只有30%左右；乙类推挽放大器的理论效率也只有78.5%，实际运用时则只有60%左右；甲乙类推挽放大器和丙类放大器的效率介乎甲类放大器和乙类推挽放大器之间。 也就是说，半导体功率放大器件从电源中取用的功率只有一部分作为有用功率输送到负载上去，其余的功率则消耗在半导体功率放大器件上，半导体功率放大器在工作时消耗在半导体功率放大器件上的功率称为半导体功率放大器件的功耗。 半导体功率放大器件的功耗为其集电极—发射极之间的电压降乘以集电极电流： P D =U ce ·I c （式1—1） 式中P D 为半导体功率放大器件的功耗（单位W）。 U ce 为半导体功率放大器件集电极—发射极之间的电压降（单位V）。 I c 为半导体功率放大器件的集电极电流（单位A）。 线性调整型直流稳压电源中的调整管是工作在放大状态的半导体功率放大器件，所以其功耗的计算和半导体功率放大器件的功耗计算是相似的。例如一个集成三端稳压器，其功耗就是：输入端—输出端电压差乘以输出电流。 2、半导体功率开关器件 半导体功率开关器件例如晶体闸流管、开关三极管等。它们的工作状态只有两个：关断（截止）或导通（饱和）。 理想的开关器件在关断（截止）时，其两端的电压较高，但电流为零，所 电子元件基础知识培训 一、电阻 1、电阻的外观、形状如下图示： 2、电阻在底板上用字母R（Ω）表示、图形如下表示： 从结构分有：固定电阻器和可变电阻器 3 、电阻的分类：从材料分有：碳膜电阻器、金属膜电阻器、线绕电阻器、热敏电阻等 从功率分有：1/16W、1/8W、1/4W(常用)、1/2W、1W、2W、3W等 4、电阻和单位及换算：1MΩ(兆欧姆)＝1000KΩ（千欧姆）＝1000'000Ω(欧姆) 一种用数字直接表示出来 5电阻阻值大小的标示四道色环电阻其中均有一 一种用颜色作代码间接表示五道色环电阻道色环为误 六道色环电阻差值色环 颜色黑棕红橙黄绿蓝紫灰白金银无数值0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0.1 0.01 误差值±1℅±2℅±5℅±10℅±20℅四道色环电阻的识别方法如下图五道色环电阻的识别方法如下图 常用四道色环电阻的误差值色环颜色常用五道色环电阻的误差值色是 是金色或银色，即误差值色环为第四棕色或红色，即第五道色环就是误 道色环，其反向的第一道色环为第一差色环，第五道色环与其他色环相 道色环。隔较疏，如上图，第五道色环的反 向第一道即为第一道色环。 四道色环电阻阻值的计算方法： 阻值＝第一、第二道色环颜色代表的数值×10 即上图电阻的阻值为：33×10＝33Ω（欧姆） 第三道色不订所代表的数值 五道色环电阻阻值的计算方法： 阻值＝第一、二、三道色环颜色所代表的数值×10即上图电阻阻值为：440×10＝4.4Ω（欧姆） 7、电阻的方向性：在底板上插件时不用分方向。二：电容 1、电容的外观、形状如下图示： 2、电容在底板上用字母C表示，图形如下表示： 从结构上分有：固定电容和可调电容 3电容的分类有极性电容：电解电容、钽电容 从构造上分有： 无极性电容：云母电容、纸质电容、瓷片电容 4、电容的标称有容量和耐压之分 电容容量的单位及换算：1F”(法拉)＝10 uF(微法)＝10 pF（皮法） 5、电容容量标示如下图： 100uF∕25V 47uF∕25V 0.01 uF 0.01uF∕1KV 0.022uF∕50V 上图的瓷片电容标示是用103来表示的，其算法如下：10×10＝0.01 uF＝10000 pF 另电容的耐压表示此电容只能在其标称的电压范围内使用，如超过使用电压范围则会损坏炸裂或失效。 6、电容的方向性：在使用时有极性电容要分方向，无极性不用分方向。 三、晶体管 （一）晶体二极管 1、晶体二极管外形如下图： 第四道色不订所代表的数值 -2 6 12 3 功率半导体的发展 摘要：回顾了现代电力电子器件的发展历史，涉及的器件包括晶闸管、GTO、IGCT、MTO、IGBT、各种改进型的IGBT 以及CoolMOS。叙述了采用新型材料的电力电子器件的发展和前景，应用碳化硅和氮化镓材料的功率器件正在迅速地发展，一些器件有望在不远的将来实现商品化，进入电力电子技术市场。 关键词：电力电子器件；碳化硅；氮化镓；发展；展望 Development of Power Semiconductor Device Abstract:The developing history of modern power electronic device is reviewed, which includes thyristor, GTO, IGCT, MTO, IGBT,improved IGBT and CoolMOS. The development and perspective of power electronic device with novel materials are proposed. The powerdevice applying SiC and GaN is in a speedy growing, some of which will realize commercialization in the near future and enter into thetechnology market of power electronics. Key words: power electronic device; SiC; GaN; development; prospective 率半导体器件是进行功率处理的半导体器件，它包括功率二极管、功率开关器件与功率集成电路。功率半导体器件技术是电力电子技术的基础与核心，它是微电子技术与电力电子技术的结合。新型电力电子器件的主要代表是场型控功率器件和智能功率集成电路（Smart Power IC-SPIC）。最早的功率器件是由少数载流子（少子）参与输运的电流控制型器件。由于少子存储效应，工作频率一般小于1MHZ，且其输入阻抗低、驱动电流大。而且由于是正电流温度系数，故有二次击穿现象；随着多晶硅和平面工艺的发展，出现多数载流子（多子）参与输运的电压控制型器件，即场控功率器件。它可以分为两大类：主要的一类是MOS型功率器件，如垂直扩散MOS（VDMOS）,绝缘栅双极晶体管（IGBT）和MOS控制晶闸管（MCT）等；另一类是静电感应器件，如静电感应晶体管（SIT），双极型静电感应晶体管（BSIT）和静电感应晶闸管（SITH）等。功率集成电路（PIC）是指将高压功率器件与信号处理系统及外围接口电路、保护电路、检测诊断电路等集成在同一芯片的集成电路。一般将其分为智能功率集成电路（SPIC）和高压集成电路（HVIC）两类。但随着PIC的不断发展，两者在工作电压和器件结构上（垂直或横向）都难以严格区分，已习惯于将它们统称为智能功率集成电路。智能功率集成电路是集成电路的重要分支，是功率SoC（System on Chip）的核心技术，它将信息采集、处理与功率控制合一，是引发第二次电子革命的关键技术[1]。 1、功率半导体器件的简介 20世纪50年代，电力电子器件主要是汞弧闸流管和大功率电子管。60年代发展起来的晶闸管，因其工作可靠、寿命长、体积小、开关速度快，而在电力电子电路中得到广泛应用。70年代初期，已逐步取代了汞弧闸流管。80年代，普通晶闸管的开关电流已达数千安，能承受的正、反向工作电压达数千伏。在此基础上，为适应电力电子技术发展的需要，又开发出门极可关断晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管等一系列派生器件，以及单极型MOS功率场效应晶体管、双极型功率晶体管、静电感应晶闸管、功能组合模块和功率集成电路等新型电力电子器件。 各种电力电子器件均具有导通和阻断两种工作特性。功率二极管是二端(阴极和阳极)器件，其器件电流由伏安特性决定，除了改变加在二端间的电压外，无法控制其阳极电流，故称不可控器件。普通晶闸管是三端器件，其门极信号能控制元件的导通，但不能控制其关断，称半控型器件。可关断晶闸管、功率晶体管等器件，其门极信号既能控制器件的导通，又能控制其关断，称全控型器件。后两类器件控制灵活，电路简单，开关速度快，广泛应用于整流、逆变、斩波电路中，是电动机调速、发电机励磁、感应加热、电镀、电解电源、直接输电等电力电子装置中的核心部件。这些器件中国功率半导体行业研究-行业概况、发展概况
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2015年功率半导体器件行业简析
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