功率半導體的分類

電力電子技術的核心是電能的變換和控制,常見的有直流轉交流(逆變)、交流轉直流 (整流)、變頻、變相等。在工程中拓展開來，變得五花八門,應用領域非常之廣。但是,千變萬化離不開其核心一一功率電子器件。

功率半導體器件（Power Semiconductor Device）又稱電力電子器件（Power Electronic Device）。

1940年貝爾實驗室在研究雷達探測整流器時，發現硅存在PN結效應，1958年美國通用電氣（GE）公司研發出世界上第一個工業用普通晶閘管，標志著電力電子技術的誕生。

從此功率半導體器件的研制及應用得到了飛速發展，并快速成長為電子制造業的核心器件之一，還獨立成為電子電力學科。

作為制造業大國，功率半導體器件在中國大陸的工業、消費、軍事等領域都有著廣泛應用，具有很高的戰略地位。

功率半導體器件，是一種廣泛用于電力電子裝置的電能變換和控制電路方面的半導體元件。

電力電子裝置的基本構思是把連續的能量流切割成能量小包，處理這些小包并輸送能量，在輸出端使之重新成為另一種連續的能量流，而這些主要便是依靠功率半導體器件及特定的電路結構來實現的。

功率半導體按照不同的分類標準可以進行如下分類：

①按照控制特性分類

不控型器件：即正向導通反向阻斷，如常見的功率二極管；

半控型器件：除了正負極，還有控制極，一旦開通無法通過控制極(柵極)關斷，這類主要是指晶閘管(Thyristor)和它的派生器件；

全控型器件：可通過柵極控制開關，常見的有雙極結型晶體管(BJT)、柵極關斷晶閘管(GTO)、金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等等。

②按照載流子性質不同分類

雙極型：即電子和空穴同時參與導電，常見的有BJT、GTO；

單極型：只有電子或者空穴的一種載流子參與導電，常見的有結型場效應晶體管(JFET)、MOSFET、靜電感應晶體管(SIT)等；

混合型：常見的有IGBT、電子加強注入型絕緣柵晶體管(IEGT)等。

③按照驅動方式分類

電流型控制器件：主要是可控硅(SCR)、BJT、GTO；

電壓型控制器件：以MOSFET和IGBT為主；

光控型器件：以光控晶閘管為主要代表。

④按照不同的制備材料分類

主要分為硅器件，以及以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為主的寬禁帶器件。

不同的應用場合根據所需半導體器件的電流電壓等級來選擇器件的種類。

半導體功率器件根據功能分：不可控、半控型、全控型。

半導體材料的發展:

第一代: Si、 Ge等元素半導體材料,促進計算機及IT技術的發展，也是目前功率半導體器件的基礎材料;

第二代: GaAs、InP等化合物半導體材料,主要用于微波器件、射頻等光電子領域;

第三代: SiC、GaN等寬禁帶材料,未來在功率電子、射頻通信等領域非常有應用前景。

功率半導體器件應用

不控器件:典型器件是電力二極管,主要應用于低頻整流電路 ;

半控器件:典型器件是晶閘管,又稱可控硅,廣泛應用于可控整流、交流調壓、無觸點電子開關、逆變及變頻等電路中,應用場景多為低頻;

全控器件:應用領域最廣,典型為GTO、GTR、 IGBT、 MOSFET ,廣泛應用于工業、汽車、軌道牽引、家電等各個領域。

GTO :門極可關斷晶閘管

GTR :電力晶體管

IGBT :絕緣柵雙極性晶體管

MOSFET :金屬氧化物半導體場效應晶體管

汽車領域及大部分工業領域目前最常用的全控器件，全控器件的基本應用場景可以用下面這張示意圖概括。

不可控功率器件

功率整流二極管是以半導體PN結為基礎的,實際上是由一個面積較大的PN結和兩端引線以及封裝組成的。

快恢復二極管采用外延型PiN結構，其反向恢復時間短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右）。

肖特基二極管是用金屬（Ti、Ni等）代替了PN結中的P型半導體，為多子器件，具有更低的正向壓降和更好的開關特性，反向恢復時間很短（10~40ns），有利于控制開關損耗，但耐壓較低一般低于200V，且反向漏電較大對溫度敏感。

符號及電性特征

半控型功率器件

晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又稱可控硅整流器，以前簡稱為可控硅；1957年美國通用電氣公司開發出世界上第一款晶閘管產品，并于1958年將其商業化；

晶閘管是PNPN四層半導體結構，它有三個極：陽極，陰極和控制極；晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制、被廣泛應用于可控整流、交流調壓、無觸點電子開關、逆變及變頻等電子電路中。

符號、結構及工作原理

晶閘管承受反向陽極電壓時，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于反向阻斷狀態。

晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導通。這時晶閘管處于正向導通狀態，這就是晶閘管的閘流特性，即可控特性。

晶閘管在導通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，不論門極電壓如何，晶閘管保持導通，即晶閘管導通后，門極失去作用。門極只起觸發作用。

晶閘管在導通情況下，當主回路電壓（或電流）減小到接近于零時，晶閘管關斷。或加一反向電壓，并保持一段時間使其強迫關斷。

全控型器件

（1）功率晶體管(GTR,巨型晶體管)、雙極結型晶體管(BJT)

1.功率晶體管(Giant Transistor--GTR,巨型晶體管)、雙極結型晶體管(BipolarJunction Transistor--BJT)，這兩類三極管在半導體功率器件是等效的，在20世紀80年代，在中、小功率范圍內取代了晶閘管，但隨著MOSFET、IGBT的發展，逐漸被替代。

2. 一種電流控制的雙極雙結大功率、高反壓電力電子器件，具有自關斷能力,產生于上個世紀70年代，其額定值已達1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。

它既具備晶體管飽和壓降低、開關時間短和安全工作區寬等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所組成的電路靈活、成熟、開關損耗小、開關時間短，在電源、電機控制、通用逆變器等中等容量、中等頻率的電路中應用廣泛。GTR的缺點是驅動電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞。

3.和普通三極管一樣，他有三個極：發射極e （Emitter）、基極b (Base)和集電極c (Collector)。

4.結構及工作原理

以圖中NPN型的三極管為例，當基極通入正電流Ib時，N P結正偏，基區就會流入大量的電子。

同時，該基極電流Ib不僅使發射極電流增大，而且P基區的電子在阻斷的基極-集電極結方向上有很高的載流子濃度梯度，這些電子會擴散進入低摻雜的N-層。如果加一個電場，這些電子就會被電場加速流向集電極。即Ib的電流被放大。

（2）門極可關斷晶閘管(GTO)

1.GTO（Gate-Turn-Off Thyristor）是門極可關斷晶閘管的簡稱，他是晶閘管的一個衍生器件。但可以通過門極施加負的脈沖電流使其關斷，他是全控型器件。

2.GTO和普通晶閘管一樣，是PNPN四層半導體結構，外部也是引出陽極．陰極和門極。但和普通晶閘管不同的是，GTO是一種多元的功率集成器件。

雖然外部同樣引出三個極，但內部包含數十個甚至數百個共陽極的小GTO單元，這些GTO單元的陰極和門極在器件內部并聯，他是為了實現門極控制關斷而設計的。

（3）功率場效應晶體管(MOSFET)

1.功率MOS場效應晶體管也分為結型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），簡稱功率MOSFET（Power MOSFET）。

結型功率場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管（Static Induction Transistor——SIT）。

其特點是用柵極電壓來控制漏極電流，驅動電路簡單，需要的驅動功率小，開關速度快，工作頻率高（最高可達到1MHz），熱穩定性優于GTR，但其電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。

2.結構及工作原理

截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區與N漂移區之間形成的PN結反偏，漏源極之間無電流流過。

導電：在柵源極間加正電壓Ugs，柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面P區中的空穴推開，而將P區中的少子—電子吸引到柵極下面的P區表面,當Ugs大于Uth（開啟電壓或閾值電壓）時，柵極下P區表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結消失，漏極和源極導電。

（4）絕緣柵雙極晶體管(IGBT)

1.MOSFET具有開關速度快，電壓控制的優點，缺點是導通電壓降稍大，電流、電壓容量不大；雙極型晶體管卻與它的優點、缺點互異。

因而產生了使它們復合的思想；控制時有MOSFET管的特點，導通時具有雙極型晶體管特點，這就產生IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）管研制的動機，該管稱為絕緣柵雙極晶體管，但因為有晶體管的特性，他的工作頻率大大降低。

2.N溝道VDMOSFET與GTR組合形成N溝道IGBT（N-IGBT）IGBT比VDMOSFET多一層P 注入區，形成了一個大面積的P N結。使IGBT導通時由P 注入區向N基區發射少子，從而對漂移區電導率進行調制，使得IGBT具有很強的通流能力。

3.結構、符號及工作原理。

IGBT的開通和關斷是由門極電壓來控制的。當門極加正電壓時，MOSFET內形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導通。

因此IMOS為IGBT總電流的主要部分。此時，空穴P 區注入到N-區，從而在N-區內產生高濃度的電子，減小了N-區的電阻Rd值，使高耐壓的IGBT也具有低的通態壓降。

當門極加負電壓時，MOSFET內的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT即被關斷。由于注入到N-區的空穴是少子，存在少子存儲現象。N-區的少子需要時間復合消失，因此IGBT的開關速度比MOSFET慢。

功率器件封裝介紹
封裝是溝通芯片和外部電路的橋梁，其主要功能有：

①實現芯片和外界的電氣連接；
②為芯片提供機械支撐，便于處理和焊接；
③保護芯片，防止環境的物理或化學損傷；
④提供散熱通道。

分立式(Discrete)封裝普遍應用于小功率范圍。這種封裝的器件要焊接到印刷電路板上。由于其功率損耗相對較小，散熱要求不太高，這種封裝的設計大多不采用內部絕緣，因而每個封裝中只能有一個開關。

晶體管大多數采用這種類型的封裝，因此稱之為"晶體管外形"(TO，Transistor Outline)封裝，如TO-220和TO-247比較流行的TO封裝形式。

分立式封裝的設計需要實現如下功能：

①負載電流和控制信號的傳導；
②散熱；
③保護器件不受環境影響；

MOSFET是采用TO封裝最常見的功率器件。對于MOS，目前已經成功實現了對導通電阻Ron的大幅降低。于是TO封裝的缺陷就逐步凸顯出來了，TO封裝的寄生電阻和Ron有著相同大的數量級。

由于PCB的通孔是標準的，且需要滿足和保持引線間的最小絕緣距離要求，所以不能簡單的通過對引腳的截面積加粗，但可以蓋面截面積的形狀來降低引腳的寄生電阻。

TO封裝的另一個弱點是，為了減小成本而基本采用鋁線連接。要改善電阻損耗只有加粗導線或者增加引線數量，但是這樣一來，雜散電感又是一個問題。所以，為了盡可能高效地利用有限地PCB空間，IC器件地便面貼裝技術(SMT)也被用到了小功率器件，主要有SOT、SOP等封裝類型，如：

中大功率的應用則由單管向模塊封裝發展。單管和模塊各有優勢，應用場景和具體需求不同而使兩者依舊在朝前發展。

分立式封裝中還有一種叫作壓接封裝(Press Packs)或餅形封裝(Capsules)的，主要應用于功率模塊尚不能達到的高功率范圍。在極高功率范圍，功率芯片的大小可以是一個整晶圓，如下圖，所以具有圓形管腳的培養皿型封裝是圓形芯片的理想封裝形式。

為了均衡壓力，避免出現壓力峰值，鬼期間裝在兩塊金屬片之間。鉬因其高硬度和良好的熱膨脹系數則成為最理想的金屬材料。硅芯片在陽極一側與一塊鉬圓盤底座剛性地燒結在一起，然后在陰極一側壓接到第二個鉬圓片上，使芯片處于封裝內部中央對準地位置。

編輯：黃飛