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(多图) 功率半导体的发展历程及其展望

EDN China?? 2003年08月12日 ?? 收藏0
功率半导体器件和电力电子
  世界上最早的半导体器件是整流器和晶体管,当时并没有功率半导体或微电子半导体之分。1958年,我国开始了第一个晶闸管研究课题(当初称为PNPN器件)。在大致相似的时间里,集成电路的研究也逐步开始。从此半导体器件向两个方向发展。前者成为电力电子学的基础,后者则发展并促成了微电子及信息电子学。
  按照我国当时的体制,功率器件被归入机械系统,集成电路则列入电子系统。由于半导体的龙头在电子系统,再加上集成电路又是半导体的主体,因而经过长期的演变,在一些场合集成电路几乎成为半导体器件的唯一代名词。
  六十年代末七十年代初,在全国曾掀起过一个"可控硅"热。这个热潮持续甚久,影响很大,因而国内至今仍有人认为功率半导体的主体就是可控硅。七十年代末,可控硅发展成为一个大家族。并被冠以一个标准化的名称"晶闸管"。由于以开关技术来调节功率,所以在器件上的损耗很小,因此被誉为节能的王牌。其应用领域更是遍及到各个领域。我国在1979年开始酝酿成立电力电子学会,略早于美国IEEE成立电力电子学会(Power Electronics Society)。中国的电力电子学会成立后,由于专业

的重要性,发展的速度很快。但当时也因为归口关系,它没有像美国那样成为一个独立的专业学会,而隶属于其后成立的中国电工技术学会。
  把Power Electronics翻译和定义为电力电子(当初也有人主张称为功率电子),对电力电子的普及化起了一定的作用。机械,电力,电子等部门都很关心它的发展。相关的功率半导体器件也因此被称为电力电子器件。但这个名称在国外却很难找到相对应的词汇。"电力"电子的提法在取得普及的同时,也留下了一些后遗症。使人们误认为只有大功率方向才是"电力"电子器件的主体,而难以将迅速发展的MOSFET视为"电力电子"的另一个主体。从这一点来说,我愿意以功率半导体器件作为本文的主题,而电力电子器件则可以更广义地用来表达包括其他非半导体在内的各种功率电子器件。
  功率半导体器件发展的三个阶段
  功率半导体器件的发展,大致可分为三个阶段。第一阶段是六十到七十年代,那时各种类型的晶闸管和大功率达林顿晶体管有很大的发展,或可称为是双极性的年代。其服务对象是以工业应用为主,包括电力系统,机车牵引等。第二阶段是八十到九十年代,由于功率MOSFET的兴起,使电力电子步入了一个新的领域。为近代蓬勃发展的4C产业:即Communication,Computer,Consumer,Car(通信,电脑,消费电器,汽车)提供了新的活力。二十一世纪前后,功率半导体器件的发展又进入了第三阶段,即和集成电路结合愈来愈紧密的阶段,图一及图二对上述描述作了一个简单的归纳。当然,这里首先需要着重说明的是:当功率半导体器件不断发展时,前一阶段的主导产品并未退出历史舞台。例如晶闸管至今仍是一种重要产品。我国近年来先后引进超大功率晶闸管,光控晶闸管技术,为我国重大发电输电等项目,提供了关键器件。近来又在考虑引入IGCT技术。我国在这方面应该说已逐步走向世界前列。这与我国正在进行许多重大的基本建设有关。虽然从美国来看,大功率晶闸管的生产已愈来愈少,说明两国的经济发展历程并不完全相同。我在图二中画出了功率半导体器件在两个方向上的发展。左侧是双极性方向,正向着超大功率及集成化方向发展。右侧是单极性方向,它正和集成电路建立了愈来愈密切的不可分割的关系。
功率半导体和微电子器件紧密结合

功率半导体器件在两个方向上的发展

?  功率半导体器件和微电子
  功率半导体器件是半导体器件中的重要一环,它和微电子器件关系紧密,因为微电子器件需要功率半导体器件配套以提供其电源及执行系统。如迅速发展的电脑,当CPU从286,486,向奔腾I,II,III,IV…发展时,对作为电源的功率半导体要求也愈来愈苛刻。例如现在正在发展电压小于1伏,电流上百安培的电源,这就必须发展最新的MOSFET器件才能满足需要。为了达到这些不断更新的性能指标,功率半导体器件必须采用微电子器件相似的精细工艺。这也是本文将详细叙述的。
  功率半导体器件和集成电路的紧密结合,在图一中列了四个方面:即
  1)功率和微电子器件在芯片制造工艺上已日趋接近:功率MOS型器件为了达到更好的性能,例如要求更低的通态电阻,其工艺已从二十年前的几微米的技术迅速向亚微米甚至深亚微米发展。这和微电子器件的发展是一致的。
  2)MOS型器件的封装技术也正在向集成电路靠近。这几年来,功率MOS器件已采用了像倒置(Flip),球栅阵列(BGA)和多芯片模块(MCM)等包装形式。这些都是比较新的集成电路包装形式。
  3)从器件结构来看,把功率MOS型器件和集成电路做在同一个芯片上或是同一个包装中,是新的发展方向之一。所以把功率半导体器件简单地等同为分立器件就不再合适了。以IR公司产品为例,功率集成电路,或是和IC做在一起


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功率? 半导体? 微电子?

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