9b GaN功率半导体器件
功率半导体器件要点
功率半导体器件要点功率半导体器件是指用于控制和转换电力的半导体器件，其具有承载高电流和高电压的特点。
在电力电子领域中，功率半导体器件广泛应用于电力变换、传输和控制系统中，起到关键的作用。
本文将重点介绍功率半导体器件的要点，包括常见的功率半导体器件类型、特性与工作原理、应用领域和发展趋势等方面。
1.常见的功率半导体器件类型常见的功率半导体器件包括功率二极管、功率晶体管、功率场效应管（MOSFET）、可控硅（SCR）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）等。
每种器件都有自己特殊的工作原理、结构和性能特点，适用于不同的应用场合。
2.功率半导体器件的特性与工作原理不同类型的功率半导体器件具有不同的特性和工作原理。
例如，功率二极管通常用作电流开关和快速恢复整流器，其主要特点是低电压降、快速开关速度和高导通电流能力。
功率晶体管在电力放大和开关电路中广泛使用，具有高功率放大能力和较高的开关速度。
功率场效应管主要有MOSFET和IGBT两种类型，其特点是低输入阻抗、高开关速度和较低的控制电压。
可控硅主要用于交流电控制和直流电开关，其工作原理是通过施加门极电压来控制器件的导通。
3.功率半导体器件的应用领域功率半导体器件在电力电子领域有广泛的应用。
例如，功率二极管通常用于电源、电机驱动和变频器等电路中。
功率晶体管广泛应用于功率放大、开关和变换器等电路。
功率场效应管主要用于集成电路和电力开关等领域。
可控硅被广泛应用于交流变频器、电动机起动和照明控制等场合。
绝缘栅双极晶体管（IGBT）结合了晶体管和可控硅的特点，逐渐成为高功率应用的主流器件。
4.功率半导体器件的发展趋势随着电力电子的广泛应用和需求的增加，功率半导体器件面临着高功率、高频率、高效率和小型化等方面的挑战。
近年来，功率半导体器件在结构设计、材料改进和工艺制造等方面取得了重大进展。
新型材料如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的应用，使功率半导体器件具有更高的工作温度、更高的开关速度和更低的导通电阻。
半导体器件功率模组分类
半导体器件功率模块（Power Module）是一种集成了功率半导体器件（如IGBT、MOSFET）和其它相关电路的模块化产品，用于控制和调节电能的转换和传输。
根据不同的功率级别和应用领域，可以对功率模块进行多种分类。
以下是一些常见的功率模块分类：1. IGBT模块：IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块是最常见和广泛使用的功率模块之一。
它结合了MOSFET的低功率驱动和BJT的高电压能力，广泛应用于高功率应用，如变频器、电力传输和工业驱动。
2. MOSFET模块：MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）模块适用于中低功率应用，如电源、逆变器、电动车和消费电子。
它具有低开关损耗、高效率和快速开关速度的特点。
3. 肖特基二极管（Schottky Diode）模块：肖特基二极管模块常用于高速开关、反向恢复和逆变应用领域。
它具有低导通压降、快速开关速度和较低的反向恢复电荷的特点。
4. 三极管模块：三极管模块是基于晶体管（例如BJT）的功率模块。
它广泛应用于放大、开关和稳压等领域。
5. 整流桥模块：整流桥模块通常用于电源和交流电能转换应用，将交流电转换为直流电。
它由四个二极管或肖特基二极管组成，具有使电流单向传导的功能。
6. 集成型模块：集成型模块是将多个功率器件（如IGBT、MOSFET、二极管）和其它电路（如驱动和保护电路）集成到一个模块中，以提供更高的集成度和可靠性，减少系统设计的复杂性。
这只是一些常见的功率模块分类，实际上还有许多其他类型的模块，如SiC（碳化硅）模块、GaN（氮化镓）模块等，它们通常用于更高性能和特殊应用领域。
具体选择何种功率模块取决于应用需求、功率要求和其他因素。
军工 功率半导体
军工功率半导体军工领域中，功率半导体是一项至关重要的技术，它在军事装备和武器系统中发挥着不可或缺的作用。
功率半导体器件可以将电能转化为其他形式的能量，如机械能或热能，用于驱动各种军事设备的运行。
它们的高效率和可靠性使得军事装备能够在极端环境下持续工作，确保战斗力的稳定输出。
功率半导体器件的应用范围非常广泛，包括导弹、雷达、通信设备、飞机、坦克等。
举例来说，导弹系统中的功率半导体器件能够提供足够的能量来驱动导弹发射装置，确保导弹能够准确地发射并追踪目标。
雷达系统中的功率半导体器件能够提供稳定的能量输出，确保雷达设备能够准确地探测目标并提供精确的信息。
功率半导体器件的关键技术包括材料选择、制备工艺和封装技术。
在材料选择方面，高性能的功率半导体器件通常采用化合物半导体材料，如碳化硅和氮化镓。
这些材料具有优异的导电性能和热导性能，能够在高温和高电压条件下稳定工作。
制备工艺方面，功率半导体器件的制备过程需要高精度的工艺控制和严格的质量检测，以确保器件的性能和可靠性。
封装技术则是将器件封装在适当的封装材料中，以保护器件免受外界环境的影响，提高器件的可靠性和耐久性。
军工领域对功率半导体器件提出了更高的要求，如高功率密度、高工作温度和抗辐射性能等。
为了满足这些要求，研究人员不断探索新的材料和制备工艺，并不断改进现有的器件结构和设计。
同时，军工企业也在不断推动功率半导体器件的发展，加强与科研机构的合作，共同推动军事装备的现代化和智能化。
功率半导体在军工领域的应用不仅提高了军事装备的性能和可靠性，还推动了军工技术的发展和创新。
随着科技的不断进步，功率半导体技术将继续发展，为军事装备的现代化提供更多的可能性和选择。
我们有理由相信，军工领域中的功率半导体技术将继续发挥重要作用，为保卫国家安全和维护世界和平作出积极贡献。
功率半导体器件的设计和制造
功率半导体器件的设计和制造功率半导体器件是一种用于功率电子系统中的重要元件。
它的设计和制造是功率电子技术发展的重要方向之一。
本文将从功率半导体器件的基础原理、设计方法和制造流程等方面探讨其重要性及其发展现状。
一、功率半导体器件的基础原理功率半导体器件主要包括晶闸管、MOSFET、IGBT、GTO等多个种类，但它们的基础原理具有相似性。
以MOSFET为例，其基本结构由源极、漏极和栅极三个部分组成，其工作原理如图1所示。
图1 MOSFET工作原理示意图当栅极电压为零时，由于PN结的存在，漏极处形成了一个正的堆积区。
当VGS>VT时，栅结的正偏压会使得漏极处形成一个反向耗尽区，此时漏极电流为零。
当VDS逐渐增加，源漏电压Va=VGS-VDS，当Va等于MOSFET的阈值电压VT时，a-c段的原点被命名为饱和电压，此时为饱和状态，当VDS继续增大时，漏极电流也逐渐增大，进入了放大区。
由此可见，功率半导体器件的基础原理就是根据不同类型的元件，采取不同的物理机制来控制电流的导通与封锁。
二、功率半导体器件的设计方法功率半导体器件的设计方法主要基于电路应用的要求，而设计方法的主要目的是要满足功率电子应用中需要的高电压、高电流和高速开关等特殊需求。
具体来说，功率半导体器件的设计方法包括以下几个方面：1、材料选择和元件设计功率半导体器件的材料选择和元件设计在很大程度上决定了其特性和性能。
其中，材料的选择包括基底材料和陶瓷材料等，元件设计则包括晶体管结构设计、模型设计等。
2、模拟和数值模拟模拟和数值模拟是功率半导体器件设计的重要工具。
模拟主要用于确定元件的结构和特性，数值模拟则用于确定元件的尺寸和参数等，以优化元件的性能。
3、电子设计自动化工具电子设计自动化工具主要是应用计算机来进行元件的设计和优化。
这种方法既能加速设计过程，又能提高设计的准确性和可靠性。
三、功率半导体器件的制造流程功率半导体器件的制造流程是基于通用半导体工艺加工而成的。
功率半导体器件发展概述
功率半导体器件发展概述功率半导体器件是指能够承受较高电流和电压的半导体器件。
它们广泛应用于电力电子、汽车电子、航天航空等领域，具有高效率、小体积、轻量化等优势，对能源的高效利用和环境保护具有重要作用。
下面将对功率半导体器件的发展历程进行概述。
20世纪40年代，晶体管的发明和发展催生了功率半导体器件的诞生。
最早的功率半导体器件是由晶体管和二极管组成的，如功率晶体三极管和功率二极管。
这些器件应用于通信、电视、广播等领域，开启了功率半导体器件的发展之路。
20世纪50年代，随着半导体材料和制造工艺的不断改进，出现了一系列新型功率半导体器件，如功率MOSFET、功率势控晶体管（SCR）等。
这些器件具有更高的电压、电流承受能力，广泛应用于电力电子和工业自动化控制系统。
20世纪60年代至70年代，随着功率电子技术的进一步发展，功率半导体器件的性能得到了进一步提升。
功率MOSFET得到了广泛应用，功率MOSFET的开关速度和导通电阻都有很大改进，使其在高频率开关电源和高速交流电机等应用中具有重要作用。
此外，绝缘栅双极晶体管（IGBT）也成为功率半导体器件的重要代表，它结合了功率MOSFET和功率BJT的优点，具有低导通压降和高开关速度等优势，被广泛应用于交流变频调速系统。
20世纪80年代至90年代，功率半导体器件的发展受到了电子信息技术快速发展的推动。
新型器件的不断涌现，如GTO（大功率双极晶闸管）、SIT（静电感应晶体管）、电流模式控制晶闸管（IGCT）等，使得功率半导体器件在电动车、电力系统和工业自动化等领域得到了广泛应用。
进入21世纪以来，功率半导体器件的发展重点逐渐从性能提升转向能源效率和可靠性改进。
新型器件的研究和开发不断涌现，如SiC（碳化硅）功率器件、GaN（氮化镓）功率器件等。
这些器件具有更低的开关损耗和更高的工作温度，具备更高的效率和更小的体积，被广泛应用于新能源、新能源汽车等领域。
总的来说，功率半导体器件在过去几十年中经历了从晶体管、二极管到MOSFET、SCR，再到IGBT、GTO和新材料器件的发展过程。
GaN器件应用基础技术研究
GaN器件应用基础技术研究GaN（氮化镓）器件是一种新型的半导体器件，具有高功率、高频率、高温度和高可靠性等优势，因此在电力电子、通信和雷达等领域得到了广泛的应用。
本文将从材料、结构和工艺三个方面介绍GaN器件的基础技术研究。
首先，材料方面的研究对于GaN器件的性能和可靠性至关重要。
GaN材料具有较大的能带宽度和饱和漂移速度，因此能够实现高电压和高频率的工作。
目前，研究人员主要通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延（MBE）等方法来制备高质量的GaN材料。
此外，通过引入杂质或合金化的方法，可以调节GaN材料的特性，进一步提高器件性能。
其次，GaN器件的结构设计也是研究的重点。
常见的GaN器件包括GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）、GaN基二极管和GaN基太阳能电池等。
在HEMT器件中，研究人员通常采用AlGaN/GaN异质结构来实现高电子迁移率和高饱和漂移速度。
此外，通过优化结构参数和引入特殊的结构设计，如纳米线和量子阱等，可以进一步提高器件的性能。
最后，工艺方面的研究对于GaN器件的制备和性能调控起着重要作用。
在制备过程中，研究人员通过优化沉积条件、选择合适的衬底和控制材料的表面质量等方法来提高GaN器件的制备质量。
同时，通过优化退火、离子注入和金属电极的制备等工艺步骤，可以改善器件的界面特性和电学性能。
总之，GaN器件的应用基础技术研究涉及材料、结构和工艺等多个方面。
通过对材料的研究，可以提高器件的性能和可靠性；通过对结构的优化设计，可以进一步提高器件的性能；通过对工艺的改进，可以提高器件的制备质量和电学性能。
未来，随着研究的深入，GaN器件将在各个领域得到更广泛的应用，并为人们带来更多的便利和创新。
功率器件简要介绍
一功率半导体简介功率半导体器件种类很多,器件不同特性决定了它们不同得应用范围,常用半导体器件得特性如下三图所示。
目前来说,最常用得功率半导体器件为功率MOSFET与IGBT。
总得来说,MOSFET得输出功率小,工作频率高,但由于它导通电阻大得缘故,功耗也大。
但它得功耗随工作频率增加幅度变化很小,故MOSFET更适合于高频场合,主要应用于计算机、消费电子、网络通信、汽车电子、工业控制与电力设备领域。
IGBT得输出功率一般10KW~1000KW之间,低频时功耗小,但随着工作频率得增加,开关损耗急剧上升,使得它得工作频率不可能高于功率MOSFET,IGBT主要应用于通信、工业、医疗、家电、照明、交通、新能源、半导体生产设备、航空航天以及国防等领域。
图1、1 功率半导体器件得工作频率范围及其功率控制容量图1、2 功率半导体器件工作频率及电压范围图1、3 功率半导体器件工作频率及电流范围二不同结构得功率MOSFET特性介绍功率MOSFET得优点主要有驱动功率小、驱动电路简单、开关速度快、工作频率高,随着工艺得日渐成熟、制造成本越来越低,功率MOSFET应用范围越来越广泛。
我们下面主要介绍一些不同结构得MOSFET得特性。
VVMOSFET图2、1 VVMOS结构示意图VVMOS采用各向异性腐蚀在硅表面制作V 形槽,V形槽穿透P与N+连续扩散得表面,槽得角度由硅得晶体结构决定,而器件沟道长度取决于连续扩散得深度。
在这种结构中,表面沟道由V 形槽中得栅电压控制,电子从表面沟道出来后乡下流到漏区。
由于存在这样一个轻掺杂得漂移区且电流向下流动,可以提高耐压而并不消耗表面得面积。
这种结构提高了硅片得利用率,器件得频率特性得到很大得改善。
同时存在下列问题:1,V形槽面之下沟道中得电子迁移率降低;2,在V槽得顶端存在很强得电场,严重影响器件击穿电压得提高;3,器件导通电阻很大;4,V槽得腐蚀不易控制,栅氧暴露,易受离子玷污,造成阈值电压不稳定,可靠性下降。
功率GaN器件的特性
GaN Q1
+
AC -
GaN
Q2
S1
Si
S high speed GaN ‐ 低共模噪声 ‐ S1/S1 相同PWM ‐ 但是 – 体二极管反向恢复– 无CCM模式
1kW 图腾柱PFC
效率 99%+
99.4
展 子 Using Standard Si Gate Driver!
展 功率GaN器件的特性与系统设计应用 子 丁宇 万国半导体元件(深圳)有限公司 上海分公司 电 海 上 黑
尼 慕
议程
宽禁带功率半导体市场
展
GaN器件的基本结构及特性
子 GaN器件驱动回路的设计及注意事项 电 GaN器件应用于硬开关拓扑
海 GaN器件应用于软开关谐振类拓扑
小结
GaN和SJ Qoss曲线对比
展
GaN: 650V / 85mohm
子 99mohm – SJ
电
海
GaN 的Qoss约为SJ的1/5~1/10 ‐谐振电路应用中减少死区时
上间
黑
尼
慕
增强模式GaN 驱动问题
避免 Miller‐induced shoot‐through
展 子
电
海
上
黑
电Si 100V OptiMOS
=92.8% @ 500kHz
Peak VDS = 50V
海 Peak VDS = 68V
300KHz
上 300KHz
黑 5ns
5ns/div
15ns 5ns/div
尼 Could easily use 80V GaN due to low inductance/overshoot
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G a N，S i C与S i性能比较高压
高频高温
G a N 器件的优势
GaN 器件具有比Si更好的性能：
p 更快的T on （100V/ns ），
更低的开关损耗p 高击穿场强，更薄
的晶片p 高电子迁移率，更低
的导通电阻
G a N 器件的应用方向
器件特性与中小功率开关电源的发展极为契合过去
现在
未
来l
直插器件l 绕线式变压器
l 表贴式器件l PCB 变压器l 更精简的系统架构
l 无磁芯设计有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）
GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）为耗尽型器件，门极电压<0V关断，>0V开通，与传统的增强型器件使用习惯不同
如何将其转化为增强型器件？
增强型器件的实现方式1：
Cascode GaN HEMT
正向导通反向导通V gs < V th反向导通V gs > V
th
三种工作模式下的电流路径
l与Si器件相比，具有更低的反向恢复时间（几十ns）
l典型门极驱动电压0V/12V
l导通电阻大R onCascode
=R onGaN+R onSi
l仍有较小的反向恢复损耗Q rr
增强型器件的实现方式2：
E-mode GaN HEMT 门极改进实现增强型器件的方法：a-f 分别为GaN 掺杂、AlGaN 掺杂、CF 4等离子处理、凹栅
槽、混合型
l
无寄生体二极管l
零反向恢复损耗Q rr l
更快的开关速度（百MHz ）l 典型门极驱动电压0V/6V
个人企业电源适配器平板显示器数据中心交、直流电源装置
有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）
以典型200W AC-DC 变换解决方案为例（TV/PC）
Si器件效率92% 损耗16.5W 12W/in3
GaN器件效率96% 损耗9W 30W/in3
损耗减少 > 45 %，功率密度提升2.5倍
48V 12kW 轻度混合动力汽车逆变器（Mild Hybrid Inverter
）
混合动力汽车系统架构
GaN/Silicon 逆变器外形对比
GaN/Silicon 开关管封装对比性能对比：
n
体积缩小为1/5，重量减小为1/3n
功率损耗降低12%n
节省20%物料成本n 优化系统散热设计
n GaN器件适用于中小功率的高功率密度变换n增强型GaN器件为发展主流，Cascode与E-mode共同发展
n GaN器件的应用尚未进入商业化阶段。