功率器件(power device)是一個大的半導(dǎo)體器件族群,從最早的BJT(Bipolar Junction Transistor,雙極性接面晶體管)、GTO(Gate Turn-off Thyristor,柵關(guān)斷閘流體)到現(xiàn)在的Power MOSFET、IGBT(Insolated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極晶體管)以及正在加溫的SiC(Silicon Carbide,碳化硅)與GaN(Gallium Nitride,氮化鎵)寬帶隙(wide band gap)材質(zhì)的功率器件都屬于此族群。
由于以前器件的存在,多是分離式器件(discrete device)或模塊(module)形式,而不是更習(xí)見的集成電路封裝;其生產(chǎn)工廠多為傳統(tǒng)的6吋廠、8吋廠,而使用制程最多止于0.13/0.11微米,因此比較少接受到關(guān)注。
但是由于電動車、油電混合車(新能源車)、快速充電、無線充電等應(yīng)用正在快速興起,而6吋廠、8吋廠的機器設(shè)備早已停產(chǎn)、晶圓供應(yīng)受12吋晶圓需求排擠,器件供應(yīng)增加有限,未來幾年內(nèi)的市場榮景可期,因此重新又受到注目。
除了正在擴展中的寬帶隙功率器件外,其它的功率器件都是硅基的傳統(tǒng)器件,只是以結(jié)構(gòu)、載子來區(qū)別其功能。到2000年左右,器件的主要結(jié)構(gòu)演進大致完成,以后只是漸近式的改良。
功率器件主要的兩個特性為操作頻率和耐受功率。以頻率為橫軸、功率為縱軸作圖,可以約略把這些功率器件存活的生態(tài)區(qū)描述一、二。最接近原點的是最原始的BJT—低頻較低功率。于其上的是GTO—低頻高功率。于其右的是中頻高功率的IGBT,頻率可達(dá)70Hz,功率可達(dá)10W。再右邊些,可以高頻運行的是Power MOSFET,頻率可達(dá)1MHz,功率卻只能在1W上下。
使用寬帶隙的材料能使這些傳統(tǒng)功率器件的性能再上層樓。它們比硅基器件的共同好處是其功耗減少、散熱較佳、晶粒較小。此外,SiC的耐受功率較硅基的相同器件可以高1個數(shù)量級以上,而GaN主要表現(xiàn)在較高的頻率,它也是5G通訊中的理想器件。目前SiC已在6吋廠開始量產(chǎn),準(zhǔn)備移往8吋廠,GaN還在6吋廠。
在未來預(yù)計會快速竄起的新能源車中,半導(dǎo)體器件的成本會倍增至600~700美元之間。車輛所使用之半導(dǎo)體大致有控制器、傳感器與功率器件三大塊,其中功率器件由汽車至新能源車的成長約有15倍。
新能源車異于傳統(tǒng)汽車的核心技術(shù)為電機驅(qū)動、電池和電子控制。電機驅(qū)動又分成三大部分:傳動機構(gòu)、電機和逆變器—將直流電變?yōu)榻涣麟姷脑O(shè)備,逆變器中使用IGBT,約占整個電機驅(qū)動成本的一半。另外在充電樁也會使用到Power MOSFET和IGBT。
功率器件雖然少上媒體焦點,在未來興起的市場仍有機會占一席之地,但這事情極講究市場策略。譬如IGBT,雖然新能源車商機龐大,但事涉安全,產(chǎn)品驗證期非常長,直接進攻恐怕要枵腹了。
不如在驗證期的同時,先往工控和白色家電的市場先取得活命的奶油與面包。另外,功率器件的應(yīng)用與規(guī)格品類繁多,利用此復(fù)雜的生態(tài)系取得一個棲息地以徐圖發(fā)展也是一策。
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原文標(biāo)題:【椽經(jīng)閣】功率器件的應(yīng)用以及發(fā)展策略
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