大功率半导体器件综述及介绍
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。
功率半导体分立器件
功率半导体分立器件功率半导体分立器件是一种能够承受高电压和高电流的半导体器件，它们通常用于高功率电子设备中。
功率半导体分立器件包括晶闸管、场效应管、二极管和三极管等。
这些器件具有高效率、高可靠性和长寿命等优点，因此在现代电子设备中得到了广泛应用。
晶闸管是一种常见的功率半导体分立器件，它具有开关能力和控制能力。
晶闸管的主要作用是将电流从一个电路传递到另一个电路，同时可以通过控制电流的方式来控制电路的开关。
晶闸管的优点是具有高速度、高可靠性和长寿命等特点，因此在高功率电子设备中得到了广泛应用。
场效应管是另一种常见的功率半导体分立器件，它具有高速度、低噪声和低功耗等特点。
场效应管的主要作用是将电流从一个电路传递到另一个电路，同时可以通过控制电压的方式来控制电路的开关。
场效应管的优点是具有高效率、高可靠性和长寿命等特点，因此在现代电子设备中得到了广泛应用。
二极管是一种常见的功率半导体分立器件，它具有单向导电性和快速响应速度等特点。
二极管的主要作用是将电流从一个电路传递到另一个电路，同时可以通过控制电压的方式来控制电路的开关。
二极管的优点是具有高效率、高可靠性和长寿命等特点，因此在现代电子设备中得到了广泛应用。
三极管是一种常见的功率半导体分立器件，它具有高速度、高功率和高可靠性等特点。
三极管的主要作用是将电流从一个电路传递到另一个电路，同时可以通过控制电流的方式来控制电路的开关。
三极管的优点是具有高效率、高可靠性和长寿命等特点，因此在现代电子设备中得到了广泛应用。
功率半导体分立器件是现代电子设备中不可或缺的一部分。
它们具有高效率、高可靠性和长寿命等优点，可以帮助电子设备实现更高的性能和更长的寿命。
随着科技的不断发展，功率半导体分立器件将会得到更广泛的应用和更大的发展空间。
功率半导体器件发展概述
功率半导体器件发展概述
原创
近几十年来，随着半导体技术及其相关应用的快速发展，半导体器件的性能也在不断提升。
首先，高功率半导体器件是指采用半导体材料制造的器件，其最大功率能力达到千瓦以上，能够满足电子设备发电、传输、控制等各种高功率应用需求。
高功率半导体器件在现代电子产品中有着越来越重要的地位，功率晶体管、功率MOSFET、IGBT、SCR、二极管、交流电动机控制器等是最重要的几种高功率半导体器件。
这些器件在现代社会发挥了重要作用，参与设计了大功率的电子设备和装置，如电源、励磁技术、变频装置、UPS等，有效地改善了电子设备的性能，为现代电子设备及相关应用提供了有效的支持。
高功率半导体器件的发展历程可以追溯到上世纪50年代，当时科学家发明出了可调谐晶体管和功率晶体管，但其最大功率并不能达到千瓦。
在1960年，科学家又发明出功率MOSFET，用于高功率电子设备设计，从而有效降低了设备整体尺寸，加快了技术迭代速度。
13种常用的功率半导体器件介绍
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。
功率半导体器件简介演示
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目 录
• 功率半导体器件概述 • 功率二极管 • 功率晶体管 • 功率场效应管 • 功率半导体器件的制造工艺流程 • 功率半导体器件的发展趋势和市场前景
01
功率半导体器件概述
功率半导体器件的定义
功率半导体器件是一种用于电能转换和控制的重要电子器件，它能够实现电能的 转换、控制和放大等功能。
新能源汽车及充电设施需 求
新能源汽车及充电设施的快速发展，对功率 半导体器件的需求不断增加，同时对功率半 导体器件的性能和可靠性也提出了更高的要
求，如高耐压、高效率、高可靠性等。
国际竞争加剧市场整合
国际巨头垄断市场
全球功率半导体市场主要由国际巨头所 垄断，如美国德州仪器（TI）、美国英特 尔（Intel）、日本富士通（Fujitsu）等 ，这些企业在技术研发、品牌和市场渠 道等方面具有较大优势，占据了市场的 主要份额。
金属电极
在PN结上添加两个金属电 极，一个是阳极，另一个 是阴极。
封装
将PN结和金属电极封装在 固体介质中，以保护其免 受环境影响。
功率二极管的特性
伏安特性
功率二极管的伏安特性曲线展示其电 压与电流之间的关系。
反向恢复时间
功率二极管在从一个状态转换到另一 个状态所需的时间。
额定电流
在规定温度下，二极管能够安全通过 的最大电流。
VS
国内企业逐步崛起
随着国内电子信息技术的发展，国内功率 半导体企业逐渐崛起，如中国电子科技集 团公司（CETC）、杭州士兰微电子股份 有限公司（Silan）等，这些企业在国家 政策支持和技术积累下，逐渐提升自身技 术水平和产品质量，逐步扩大市场份额。
THANKS
功率半导体是什么
功率半导体是什么一、引言功率半导体是一种广泛应用于电力电子领域的器件，它发挥着至关重要的作用。
功率半导体的发展在当代科技领域具有重要意义，本文将深入探讨功率半导体的定义、类型、工作原理等方面。
二、功率半导体的定义功率半导体是一种能承受较高电压和电流的半导体器件。
它在电力电子领域中扮演着控制和调节电能的重要角色。
功率半导体通常承受较大功率损耗，因此要求具备较高的功率密度。
三、功率半导体的主要类型1. 二极管二极管是功率半导体器件的一种，用于整流和开关电路中。
它具有导通压降低、反向耐压高的优点，在电源、变频器等系统中得到广泛应用。
2. MOSFET金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）是一种常见的功率半导体器件，具有功率损耗小、开关速度快、控制电压低等特点，被广泛应用于电力电子设备中。
3. IGBT绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是功率半导体中的重要类型，具有开关速度快、控制电压低、功率密度高等优势，在变频器、逆变器等设备中发挥着重要作用。
四、功率半导体的工作原理功率半导体器件的工作原理是通过控制电压和电流的导通和截止，实现对电能的调节和控制。
不同类型的功率半导体器件具有不同的工作原理，但都是基于半导体材料的特性实现电能转换。
五、功率半导体的应用领域功率半导体广泛应用于电力系统、工业自动化、交通运输等领域。
在工业生产和生活中，功率半导体的应用为设备的高效运行、能源的节约提供了重要支持。
六、结论功率半导体作为电力电子领域的重要组成部分，其在现代科技和工业中的应用越发广泛。
通过本文的介绍，希望读者对功率半导体有更深入的了解，进一步推动功率半导体技术的发展和应用。
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。
浅谈功率半导体器件
浅谈功率半导体器件功率半导体器件是现代电力系统和电子设备中必不可少的关键部件。
它们具有很高的开关速度、低开关损耗和高压电容，并且能够承受高功率和高电压。
功率半导体器件的发展对提高能源利用率、降低能源消耗、提高电子设备的性能等方面起到了重要作用。
本文将从功率半导体器件的定义、分类、主要特点、应用领域以及未来发展趋势等方面进行浅谈。
一、功率半导体器件的定义与分类功率半导体器件是指能够承受较大功率和电压的半导体器件，其主要用于电能的转换和控制。
根据其工作原理和结构特点，功率半导体器件可以分为二极管、晶体管、场效应管、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）等不同类型。
二、功率半导体器件的主要特点1.快速开关速度：功率半导体器件具有很高的开关速度，能够迅速切换电流，有效减小了能源的损耗，提高了设备的性能。
2.低开关损耗：功率半导体器件具有较低的开关损耗，能够减少能量的损耗，提高电能的利用效率。
3.高压电容：功率半导体器件能够承受较高的电压，满足电力系统和电子设备对高电压的需求。
4.高耐压能力：功率半导体器件能够承受较大的功率，具有较高的耐压能力，保证了设备的稳定工作。
5.耐温性能好：功率半导体器件能够在高温环境下工作，适应各种恶劣的工作环境。
三、功率半导体器件的应用领域1.电力系统：功率半导体器件在电力系统中被广泛应用，如电力电子变换器、交流传动系统和直流输电等。
2.工业控制：功率半导体器件在工业控制领域中被广泛应用，如驱动系统、温度控制系统和电动机控制等。
3.照明领域：功率半导体器件可以用于高亮度的LED照明，替代传统的白炽灯、荧光灯等传统照明设备。
4.电动车辆：功率半导体器件在电动车辆中起到了关键作用，如电机驱动、电池管理、充电系统等。
四、功率半导体器件的未来发展趋势1.集成化：功率半导体器件将趋向于集成化，尽可能将多个功能集成到一个芯片中，以提高器件的性能和可靠性。
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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）
IGBT的研制成功并投放市场，由于具有功率MOSFET和大功率晶体管（GTR）的双重优点，所以被认为是电力电子最具代表性的器件，甚至有人称：“21世纪是IGBT的时代”。
IGBT是一种电压驱动元件，因而门极驱动电路简单，它有较好的频率（开关）、保护和di/dt 、dv/dt特性，是目前100KHZ以下各种类型变频器逆变器应用最普遍使用的最多的元件。
IGBT最成功的应用是交流电动机调速和低压变频器逆变器，尤以变频器调速最具代表性。
目前市场销售的低压交流电动机变频器调速，不管是哪一个国家、公司的产品，功率器件几乎都是IGBT。
九十年代末，大功率高电压IGBT促进了高压交流电动机变频调速的发展，在中小功率等级，使得使用PCT和GTO的变频调速装置相形见绌。
目前，IGBT的最高水平为，单管：3000A/5000V；模块：1200A/3300V。
从不串不并的前提出发，IGBT在低于1000KW的功率范围使用。
４、集成门极换向晶闸管（IGCT）
IGCT晶闸管是一种新型的大功率器件，与常规GTO晶闸管相比，它具有许多优良的特性。
例如，不用缓冲电路能实现可靠关断、存储时间短、开通能力强、关断门极电荷少和应用系统（包括所有器件和外围部件如阳极电抗器和缓冲电容器等）总的功率损耗低等。
在上述这些特性中，优良的开通和关断能力是特别重要的方面，因为在一个系统中，GTO的应用条件主要是受到这些开关特性的局限。
众所周知，GTO的关断能力与其门极驱动电路的性能关系极大，当门极关断电流的上升率（diGQ/dt）较高时，GTO晶闸管则具有较高的关断能力。
一个4.5KV/4KA的IGCT与一个4.5KV/4KA的GTO的硅片尺寸类似，可是它能在高于6KA的情况下不用缓冲电路加以关断，它的diGQ/dt高达6000A/us.至于开通特性，门极开通电流上升率(diG/dt )也非常重要，相对于说可以借助于低的门极驱动电路的电感比较容易实现。
由此可见，有效硅面积小，低损耗、快速开关、内部机械部件极少这些优点保证了IGCT可以较低的成本，紧凑、可靠、高效率地用于300KVA－10 MVA变流器，而不需要串联或并联。
如用串联，逆变器功率可扩展到100 MVA范围而用于电力设备。
想对于高压IGBT来讲，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的有源保护等，但是，高的导通损耗、低的硅有效面积利用率、损坏后造成开路以及无长期可靠运行数据等缺点，局限了高频率IGBT模块在高频率低频变流器中的实际应用。
因此在大功率MCT未问世以前，IGCT可望成为高功率高电压低频变流器的优选功率器件之一。
5、MOS门控晶闸管
MOS门控晶闸管充分地利用晶闸管良好的通态特性及MOS管优良的开通和关断特性，可望具有优良的自关断动态特性和非常低的通态电压降，并易于得到高的耐压，成为将来在电力装置和电力系统中有发展前途的高压大功率器件。
目前世界上虽有十几家公司在积极开展对MCT的研究，但是仍然处于研制阶段，MOS门控晶闸管主要有三种结构：MOS场控晶闸管（MCT）;基极电阻控制晶闸管（BRT）;及发射极开关晶闸管（EST）。
其中EST可能是MOS门控晶闸管中最有希望的一种结构。
但是，这种器件要真正成为商业化的实用器件，达到取代GTO的水平，可能还需要相当长的一段时间。
6、采用新型半导体材料制造的新型功率器件
在采用新型半导体材料制成的功率器件中，最有希望的，是碳化硅（SiC）功率器件，与其它半导体材料相比，具有下列优异的物理特性：高的禁带宽度，高的饱和电子漂移速度，高的击穿强度，低的介电常数和高的热导率。
上述这些优异的物理特性，决定了碳化硅在高温、高频率、高功率的应用场合是极为理想的半导体材料。
在同样的耐压和电流水平下，SiC器件的漂移区电阻要比硅低200倍，即使高耐压的SiC场效应管的导通压降，也比单极型、双极型硅器件低的多。
而且，SiC器件的开关时间可达10nS量级，并具有十分优越的安全工作区（FBSOA）。
SiC可以用来制造射频和微波功率器件，及各种高频整流器，MOSFETs,MOSFETs,和JFETs等。
SiC高频整流器已在Motorola开发成功，并应用于微波和射频装置。
GE公司正在开发SiC功率器件和高温器件（包括用于喷气式引擎的传感器）。
西屋公司已经制造出了在26GHz频率下工作的甚高频的MESFET。
ABB公司正在研制高功率、高电压的SiC整流器和其它SiC低频功率器件，用于工业和电力系统。