超高速功率半导体器件的研究
功率半导体器件的技术进展与应用
功率半导体器件的技术进展与应用近年来，随着科技的不断发展和人们对节能环保的认识加深，功率半导体器件的应用领域越来越广泛。
功率半导体器件是一种能够将高电压、大电流和高频率的电能转换为可控制的形式的集成电路，可以在电力变换、控制、传输、存储等领域发挥重要作用。
本文将简要介绍功率半导体器件的技术进展和应用。
一、技术进展1.功率MOSFET功率MOSFET是一种在低电压下工作的MOSFET，具有电阻低、导通损耗小、开关速度快等优点，广泛应用于频率转换、功率逆变和开关电源等方面。
近年来，随着电路集成度的提高和新材料的应用，功率MOSFET的性能不断提高，主要表现在以下几个方面：(1)低电阻：采用短通道、高导电能力金属等材料，可以将电阻进一步降低，从而降低导通时的损耗。
(2)快开关：采用多晶硅材料、低电容衬底和优化的结构设计，可以提高开关速度，从而减少反向恢复损失。
(3)高电压：采用氮化硅等材料，可以提高器件承受电压的能力，从而降低工作时的漏失。
(4)高温：采用碳化硅材料，可以在高温环境下正常工作，从而提高器件的可靠性。
2. IGBTIGBT是一种功能介于MOSFET和晶闸管之间的器件，具有高电阻、高压、高速等优点，被广泛应用于交流电机驱动、UPS、电焊等领域。
IGBT的主要进展包括：(1) 低开关损耗：采用SiC材料和硅极细晶化技术等，可以进一步降低开关损耗。
(2) 高辐射环境下的可靠性：采用硅材料和硅细晶化技术等，可以提高器件的抗辐射性能。
(3) 低噪声：采用新型高低侧驱动技术、晶格磁通快速切换技术等，可以降低开关噪声。
(4) 高集成度：采用3D封装技术、SEPIC局放结构等，可以提高器件的集成度。
3. SiC/MOSFETSiC/MOSFET是一种基于碳化硅材料的MOSFET，具有高温、高速、低损耗等优点，被广泛应用于太阳能逆变器、电动汽车等领域。
SiC/MOSFET的主要进展包括：(1) 低电阻：采用近完美的完整性碳化硅基底，可以进一步降低器件电阻，从而降低导通损耗。
超高速化合物半导体器件(2)Ⅲ—Ⅴ族化合物异质双极晶体管
Ｕｌ ａ ｈｇ ．ｐ ｅ ｍｐ ｕ ｄ Ｓ ｍｉｏ ｄ ｃｏ ｖｃ （ ｔ ． ｉｈ ｓ ｅ ｄ Ｃｏ ｏ ｎ ｅ ｃ ｎ ｕ ｔ ｒＤｅ ｉｅ ２） ｒ
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ｍ ｂ ｌｙｔ ｎ ｉ ｏ．ｈ ｔ ｏｕ ｃｉｎｂｐ ｌ ａ ｓ ｔ ｎ ｉｍｗ ｖ ／ １ｍｅ ｅ ｗ ｖ ｔｇａｅ ｉ ｕｔ ＭＭＩ ） ｏ ｉ ｔ ｒ ｓ ｔｒ ｅｅ ｊ ｎ ｔ ｉｏａ ｔ ｎ ｉ ｏ ａ ｄ ｍ ｃ ａ ｅ ｍ． ｉ ｔ — ａ ｅｉ ｅ ｒｔｄｃｒ ｉ ｉ ａ ｓ ｒ ｏ ｒｒ ｓ ｒ １ ｒ ｎ ｃ （ Ｃ．
２ １ ． ＨＢ Ｔ的 结 构
应 用等 方 面 都 走 向 了实 用 化 。 用 同质 结 Ⅲ一 Ｖ族 材 而 料 ， ： ａ ｓ Ｉ Ｐ、 Ｎ等 制 造 器 件 ， 了 提 高 频 率 、 如 Ｇ Ａ 、ｎ Ｇａ 为 降 低 噪 声 ，同时 还 要 获得 高 电流 增 益 和低 基 极 电阻 ， 这 是 十 分 困难 的 。但 若 采 用 异 质结 结 构 ， 则是 解 决 这 一
地 进 行 设 计 。 用 这 一 原 理 可 以考 虑 如 下 的 情 况 ：
问题 的 良好 途 径 。 质 结 双 极 晶体 管通 常 又 称 为 Ｈ Ｔ 异 Ｂ
（ ｅｅｏｕ ｃｉｎＢ ｐ ｌｒ ｒｎ ｉ ｏ ） Ｈ ｔｒｊ ｎ ｔ ｉｏａ ａ ｓ ｔｒ 。 ｏ Ｔ ｓ
大功率半导体技术现状及其进展
大功率半导体技术现状及其进展摘要：在1957年晶闸管的发明使得牵引传动技术正式步入了电子技术时代，随后60多年的发展带动了大功率半导体行业逐步开发出全新材料的器件。
近几年，大功率半导体技术逐步围绕着功率转换以提高技术水平，通过不断优化功率半导体器件结构和细节工艺，以提高大功率半导体的功率容量和功率密度，在降低功率损耗的同时，提高能源转换效率。
本文在简单介绍了现在硅基大功率半导体器件的发展过程及新器件研究的进展基础上，分析了在当前技术背景下大功率半导体技术发展所面临的全新挑战。
关键词：功率半导体器件；晶闸管；绝缘栅双极晶体管正文：功率半导体器件的发展不断带动了能源技术的发展，同时也推动了轨道牵引传动技术的进步，在1957年晶闸管发明后，交直传动技术获得了前所未有的发展，随后1965年第一台晶闸管整流机车的问世，带动了全球单相工频交流电网电气化的发展高潮。
在步入20世纪70年代后，大功率晶闸管的出现使得交流传动技术逐步取代了之前应用极为广泛的交直传动技术。
随后，在20世纪90年代中期，伴随着高压IGBT技术的的不断完善，交流传动功率开关也逐步由IGBT取代，尤其在城市轨道高速交通等领域获得广泛使用。
通过60多年的发展功率，半导体技术已经开始逐步探索归集材料的物理极限，为此，全新的宽禁带材料和新型器件受到了更多学者的关注。
一、功率半导体器件的演变历史在1949年美国贝尔实验室发明出世界第一只竹鸡双极型晶体管后，不仅集成电路由此开始了漫长的发展旅程，功率半导体也从样由此起源，基极作为控制，即通过较小的输入电流来控制集电极和发射间存在的电流和电压。
但通过时间发展，锗基BJT热稳定方面存在比较明显的缺陷。
为此，在经过一段时间发展后，到了20世纪60年代，硅基BJT取代了之前所使用的锗基BTJ。
此外，在功率半导体发展过程中，也曾出现过功率BTJ。
与其他类型相比，功率BTJ拥有极低的饱和降压和极低的生产成本，但是其在使用过程中驱动功率较大和热稳定性差的问题，导致其逐渐被历史所淘汰。
GaN
GaN功率器件调研摘要：论文从研究背景、进展和行业动态三方面论述了发展GaN功率器件的可行性和意义。
关键词：GaN；功率器件一、研究背景目前绝大多数电力电子器件都是基于硅（Si）材料制作的，随着硅工艺的长足发展与进步，其器件性能在很多方面都逼近了极限值。
因此，电力电子器件想要寻求更大的具有突破性的提高，需要更多关注新型半导体材料。
与其它半导体器件相比，电力电子器件需要承受高电压、大电流和高温，这就要求其制造材料具有较宽的禁带、较高的临界雪崩击穿场强和较高的热导率。
新型氮化镓（GaN）基宽禁带半导体材料无疑成为制作高性能电力电子器件的优选材料之一。
几种主流半导体材料特性参数如表1所示。
表1 主流半导体材料特性参数（1）从表1中可以看出相比GaAs、Si等材料，GaN材料具有较大的禁带宽度。
因此，GaN基材料在高温和高辐射的情况下本征激发载流子较少，这就使得用GaN材料制作的半导体器件的工作温度可以高于GaAS、Si等半导体材料的工作温度，这对于制作高温、大功率半导体器件有很大的优势。
（2）GaN材料具有很大的饱和电子迁移速度，GaN材料的饱和电子漂移速度峰值能够达到3×107cm/s，这个数值要远大于GaAs、Si、4H-SiC等半导体材料。
大饱和电子漂移速度保证了GaN器件具有非常好的载流子输运性质，这在制作高频微波电子器件方面，能够有非常广阔的应用前景。
（3）GaN材料具有高的击穿电压。
Si和GaAs的临界击穿电场只有0.3MV/cm 和0.4MV/cm，而GaN材料的临界击穿电压能够达到4MV/cm，这一性质使得GaN材料很适合做高压电子器件，能够非常优秀地足电力工业对高压二极管的广泛需求。
（4）GaN具有很低的介电常数。
介电常数是器件电容荷载的量度，从表可以看出GaN的介电常数比Si、GaAs和4H-SiC都要小。
介电常数低，单位面积的器件寄生电容小，因此对于同样的器件阻抗，介电常数小的材料可以使用的器件面积就大，这样就可以开发较高的RF功率水平。
新型半导体材料与器件的研究
新型半导体材料与器件的研究随着科技的飞速发展，新型半导体材料与器件的研究已经成为了一个热门话题。
这些新材料和器件的出现，为我们的生活带来了不少便利和创新。
本文就来介绍这些新型半导体材料与器件的研究，并分析它们的应用前景。
一、新型半导体材料的研究1. 碳化硅材料碳化硅是一种具有优良性能的半导体材料，与传统的硅材料相比，它具有更高的热稳定性、更高的耐高温性和速度更快的传输能力。
因此，碳化硅材料被广泛应用于电力、航空、汽车等领域。
2. 氮化镓材料氮化镓材料是一种新兴的半导体材料，它具有传统材料所不具备的优点，比如能更好地承载高频信号、提高功率密度和提高效率等。
多数面向高频应用的器件都使用氮化镓材料制造器件，如LDMOS、HEMT、PIN二极管等。
3. 磷化镓材料磷化镓是一种非常重要的半导体材料，它具有高电子迁移率、高击穿场强度和极低的线性失真率等显著优点。
因此，它被广泛应用于硅基微波射频中功率放大器、毫米波功率放大器、微波开关等应用。
二、新型半导体器件的研究1. 三极管三极管是一种三端器件，它具有放大电流的作用。
随着技术的不断进步，三极管性能也得到了提高。
当前，三极管不仅可以用于音频放大器，还广泛应用于照明、电源、通信等领域。
2. 功率半导体器件功率半导体器件是一类高电压、高电流功率数字和模拟电路中的关键器件。
其中，IGBT是目前应用最广泛的一种器件，它可以用于交流电源的变频控制，使得电源变为可控、可逆、无级调速的功率源。
此外，超级结二极管、肖特基二极管等新型功率器件的发展也受到越来越多的关注。
3. 光电器件光电器件是一类利用光电效应实现电能转换的器件，其中，光电池是一种核心器件。
光电池将太阳光转换为电能，广泛应用于太阳能光伏电源、自负载工业、农村无电地区供电等领域。
此外，光电晶体管也是一种新型的光电器件，它可以用于光通信、高速图像采集等领域。
三、新型材料和器件的应用前景随着人们对能源、环保、先进制造等领域的要求越来越高，新型半导体材料和器件的应用前景也越来越广阔。
肖特基(Schottky)二极管
肖特基（Schottky）二极管肖特基（Schottky）二极管，又称肖特基势垒二极管（简称 SBD），它属一种低功耗、超高速半导体器件。
最显著的特点为反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右。
其多用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管，也有用在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。
在通信电源、变频器等中比较常见。
一个典型的应用，是在双极型晶体管 BJT 的开关电路里面, 通过在 BJT 上连接 Shockley 二极管来箝位，使得晶体管在导通状态时其实处于很接近截止状态，从而提高晶体管的开关速度。
这种方法是 74LS，74ALS，74AS 等典型数字 IC 的 TTL内部电路中使用的技术。
肖特基（Schottky）二极管的最大特点是正向压降 VF 比较小。
在同样电流的情况下，它的正向压降要小许多。
另外它的恢复时间短。
它也有一些缺点：耐压比较低，漏电流稍大些。
选用时要全面考虑。
三、晶体二极管晶体二极管在电路中常用“D”加数字表示，如： D5表示编号为5的二极管。
1、作用：二极管的主要特性是单向导电性，也就是在正向电压的作用下，导通电阻很小；而在反向电压作用下导通电阻极大或无穷大。
正因为二极管具有上述特性，无绳电话机中常把它用在整流、隔离、稳压、极性保护、编码控制、调频调制和静噪等电路中。
电话机里使用的晶体二极管按作用可分为：整流二极管（如1N4004）、隔离二极管（如1N4148）、肖特基二极管（如BAT85）、发光二极管、稳压二极管等。
2、识别方法：二极管的识别很简单，小功率二极管的N极（负极），在二极管外表大多采用一种色圈标出来，有些二极管也用二极管专用符号来表示P极（正极）或N极（负极），也有采用符号标志为“P”、“N”来确定二极管极性的。
发光二极管的正负极可从引脚长短来识别，长脚为正，短脚为负。
3、测试注意事项：用数字式万用表去测二极管时，红表笔接二极管的正极，黑表笔接二极管的负极，此时测得的阻值才是二极管的正向导通阻值，这与指针式万用表的表笔接法刚好相反。
超高速化合物半导体器件(1)
以及 由它 们组 成 的 ＭＭＩ 。然后 进 一步 介绍 微 波器 件 Ｃ 独特 的封 装 和测 试 ， 最后 介 绍其 典 型应 用 。
２ 化合物半 导体器件 的特点
现在 ，ｉ Ｓ 占据着 微 电子半导体 材料 的 中心 位置 。 以 Ｓ 为材 料制造 的二极 管 、三极 管 、Ｉ Ｓ 以及 Ｖ Ｓ、 ｉ Ｃ、Ｌ Ｉ Ｌ Ｉ Ｕ Ｓ 等都 以惊 人 的速 度发展 ，并对 各种产 业起着 巨大 ＬＩ 的推动作 用 。显 然 ，ｉ Ｓ 材料 的重要性 是不 容忽视 的 。 除 Ｓ 以外 还 存在 着 大 量 的半 导 体 材 料 ，化 合 物 ｉ 材 料 就是 其 中之 一 。 ０世 纪 ５ ２ ０年代 Ｓ 取 代 Ｇ ， 久 ｉ ｅ不 的将 来 化合 物 很 有 可能 取 代 Ｓ 而成 为 半 导体 产 业 的 ｉ
１ 能 带 结构 是 直接 跃迁 型 ， 数矢 量 Ｋ＝０时 有 ） 波 效质 量小 ， 带 达极 小 值 ， 以 电子迁 移 率很 高 。 Ｓ 导 所 而 ｉ 是 间接跃 迁 型 ， 图 １ 见 。 就 Ｇ Ａｓ ａ 而言 ，其 电子 迁移 率 在 ４０ ０ｍ ／（ ・ ０ ｃ Ｖ ｓ 以上 ， 为 Ｓ 的 ６倍 。图 ２为 Ｇ Ａ 、ｎ ） 约 ｉ ａ ｓＩＰ及 ｓ 中 电 ｉ 子 漂移 速 度 和 电场 的关 系 。
主要 材料 。 ２ １ 化 合 物半 导体 材 料 的特 点 ．
Ｇ Ａｓ ＩＰ或 其 它三 元 、四元 混 晶等化 合 物半 导 ａ 、ｎ 体 材 料 以 Ｓ 材 料所 不 具 备 的特 点 ，引起 人 们 从 化 合 物 半 导 体 器件 的特 点 ，即最 基 本 的 ＭＥ Ｆ Ｔ人 手 进行 讲述 ， ＳＥ 重点 介 绍化 合物 半 导体 最 有 前 途 、最 富有 生命 力 的材 料 ＩＰ ａ ｎ 、Ｇ Ｎ以及 相应 的 器 件。 我们 知道 ， 化合 物半 导 体器 件 中最 重 要 、 有 代 表 最 性 、最 能完 美 体现 异质 结 结构 特 点 的是 Ｈ ＭＴ、ＨＢ Ｅ Ｔ
10kV碳化硅混合MOS-IGBT器件的研究
集成电路应用 第 38 卷 第 4 期（总第 331 期）2021 年 4 月 1Research and Design 研究与设计摘要：研究新型10kV电压等级的碳化硅场效应晶体管结构, 具有碳化硅MOSFET的高频工作特性以及IGBT器件的大电流导通能力。
在传统碳化硅MOSFET结构的基础上，在器件底部漏极区加入了间隔式的集电极区。
在小电流情况下，电流从漏极区域流通，器件为单极型器件，拥有出色的高频性能。
在大电流情况下，集电极区PN结导通，器件开启类IGBT器件的双极型模式，显著降低器件正向导通电阻。
关键词：碳化硅，MOSFET，IGBT，沟槽，MMIGBT。
中图分类号：TN312，TN365 文章编号：1674-2583(2021)04-0001-03DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2021.04.001中文引用格式：崔京京，章剑锋.10kV碳化硅混合MOS-IGBT器件的研究[J].集成电路应用, 2021, 38(04): 1-3.类超高压碳化硅器件的开关频率也会因为存在少数载流子复合而受到限制。
另一方面，由于碳化硅P型衬底比较难以生长且电阻率远大于N型衬底，早期报导SiC IGBT主要是基于N型衬底，即集电极区为N型，外延层为P 型，同时为P型沟道，但这种结构由于必须使用负栅压驱动导通，且P型外延层电阻率更大，严重影响SiC IGBT的性能与应用[4]。
随着碳化硅材料生长技术的不断发展，目前已可以实现200µm厚度的高品质厚外延，掺杂浓度也可以低至1×1014cm -3[5]。
可通过减薄去除N型衬底，并背面注入形成P型集电极区的方法制成N型沟道超高电压IGBT，少数载流子（空穴）的寿命在目前制成的高压PIN二极管中已有测量报道，可以达到1.2μs [6].根据IGBT结构的特点，由于集电极区与漂移区存在一个PN结势垒，因此正向导通时必须首先克服集电区PN结自身的内建电势。
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超高速功率半导体器件的研究随着信息社会的发展和电子设备的广泛应用，电力电子技术的
发展日趋迅速。
功率半导体器件作为电力电子技术的基础，对于
提高电力电子设备的效率和可靠性，减小设备的体积和重量，都
起到了至关重要的作用。
而高速功率半导体器件则是功率半导体
器件发展中一个重要的方向。
一、高速功率半导体器件的基本概念
高速功率半导体器件（High-Speed Power Semiconductor Device，简称HSPSD）是指工作频率高于100kHz左右的功率半导体器件。
高速功率半导体器件的出现，是为了满足现代电力电子设备的市
场需求，例如：高效、小型化、节能、可靠性强等要求，并且在
新型电力电子设备中得到了广泛应用。
高速功率半导体器件的主要有：IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）、MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）和SiC（硅碳化物）功率器件等。
1. IGBT
IGBT是一种能够进行高电压、高电流控制的功率半导体器件，其核心技术是PNP-N的双极型结构和绝缘栅技术的组合，它具有
低导通电阻、高硬度、大功率、快速开关等优点。
因此，IGBT在
高速开关、大功率电力调节、电机控制等领域得到广泛应用。
2. MOSFET
MOSFET是一种半导体器件，由于具有极快的开关速度和高导
通能力而被广泛应用于高速开关的领域。
MOSFET的导通控制是
靠扰动栅控制模式实现的，扰动栅控制方式可以产生更快的开关
速度，但是对于高压、大电流的电力应用，MOSFET的损耗会增加，导致热失控现象，需要较好的散热措施。
3. SiC功率器件
SiC功率器件是近年来研究较为活跃的一种新型半导体器件，
它是采用碳化硅(SiC)材料制成，具有高通电性、高热稳定性、高
速度等优点，可替代传统的硅功率器件，主要应用于电动车、高
速列车、太阳能充电器和高性能计算等领域。
二、高速功率半导体器件研究的现状和发展趋势
随着信息技术的发展，电力电子设备以及相应的高速功率半导
体器件技术在研究和开发上得到了广泛的重视和应用。
在国际上，高速功率半导体器件的研究集中在硅基器件、新型材料的应用、
封装技术等方面。
而在国内，高速功率半导体器件的研究则主要
集中在电压型IGBT和MOSFET器件上。
高速功率半导体器件的研究不仅包括器件设计、工艺制作等方面，还涉及到材料设计、长寿命、电磁兼容性以及动态控制等多
个领域。
目前，国内外对于高速功率半导体器件的研究主要有以
下几个方向：
1. 硅基器件的发展
硅基器件是目前市场上应用较为广泛的功率半导体器件，但是
其主要限制是工作频率较低，因此研究人员正在探索硅基器件的
工作频率提升和损耗降低等方面的方法。
2. 新型材料的设计
新型材料的研究主要集中在SiC（硅碳化物）、GaN（氮化镓）等宽禁带半导体材料上。
这些新型材料具有更高的耐高压、高热
稳定性和高导电性能等，在高速功率半导体器件的研究中已经得
到广泛的应用。
3. 封装技术的发展
目前，封装技术已经成为高速功率半导体器件的瓶颈。
为了实
现高速功率半导体器件的可靠性和实用性，需要研究出封装技术
与器件结构的最佳匹配方式。
同时，还需要研究封装材料的物理
和化学性质等方面的问题。
4. 器件设计和动态控制
高速功率半导体器件的设计需要考虑器件结构、工艺制作和动
态响应等多个方面。
针对不同的应用场合，需要设计出对应的高
速功率半导体器件结构和动态控制电路。
只有组合起来，才能够
实现高速功率半导体器件的高可靠性和高性能。
三、结论
随着电力电子技术的高速发展，高速功率半导体器件已经成为电子制造领域的一个热点问题。
在国际上，高速功率半导体器件的研究集中在硅基器件、新型材料的应用、封装技术等方面。
而在国内，高速功率半导体器件的研究则主要集中在电压型IGBT和MOSFET器件上。
因此，未来的高速功率半导体器件的发展趋势是向着高频、高电压、低损耗和高可靠性等方向发展，这需要在器件设计、制作、封装和动态控制等多个方面进行深入研究和探索。