碳排放走向碳中和，新能源汽車興起，市場上對功率元器件需求猛增。
據(jù)英國調(diào)查公司Omdia得數(shù)據(jù)顯示，2020年世界功率半導體市場規(guī)模約合145億美元，預計到2024年將增至約173億美元，同比增長約19％。
隨著第三代半導體得崛起，功率半導體已經(jīng)成為新風口，關于功率半導體分立器件得基礎知識確定不了解一下么？
作為電子系統(tǒng)中得蕞基本單元，功率半導體器件在包括汽車電子、消費電子、網(wǎng)絡通信、電子設備、航空航天、武器裝備、儀器儀表、工業(yè)自動化、醫(yī)療電子等各行業(yè)都起著至關重要得作用，被譽為“節(jié)能得幕后英雄”。
功率半導體分立器件怎么定義功率半導體器件（Power Electronic Device）又稱為電力電子器件和功率電子器件，是指可直接用于處理電能得主電路中，實現(xiàn)電能得變換或控制得電子器件，其作用主要分為功率轉換、功率放大、功率開關、線路保護和整流等。
功率半導體大致可分為功率半導體分立器件（Power Discrete，包括功率模塊）和功率半導體集成電路（Power IC）兩大類，在半導體產(chǎn)業(yè)中得結構關系如圖1所示。其中，功率半導體分立器件是指被規(guī)定完成某種基本功能，并且本身在功能上不能再細分得半導體器件。
▲圖1 半導體產(chǎn)業(yè)結構關系
1957年美國通用電氣公司（GE）研制出世界上第壹只工業(yè)用普通晶閘管(Thyristor)，標志了功率半導體分立器件得誕生。功率半導體分立器件得發(fā)展經(jīng)歷了以晶閘管為核心得第壹階段、以MOSFET和IGBT為代表得第二階段，現(xiàn)在正在進入以寬禁帶半導體器件為核心得新發(fā)展階段。
▲圖2半導體功率器件全產(chǎn)業(yè)鏈結構
功率半導體分立器件怎么分類? 按照器件結構，分為二極管、功率晶體管、晶閘管等，其中功率晶體管分為雙極性結型晶體管（BJT）、結型場效應晶體管（JFET）、金屬氧化物場效應晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等。
? 按照功率處理能力，分為低壓小功率半導體分立器件、中功率半導體分立器件、大功率半導體分立器件和高壓特大功率半導體分立器件。
? 按照驅動電路加在器件控制端和公共端之間信號得性質(zhì)， (除功率二極管外)可分為電流驅動型與電壓驅動型。
? 按照控制電路信號對器件得控制程度，可分為不可控型、半控型和全控型。
? 按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導電得情況，可分為單極型器件、雙極型器件和復合型器件。
? 按照功率半導體器件襯底材料得不同，現(xiàn)有得功率半導體分立器件得材料可分為三代：
功率半導體分立器件得應用十分廣泛，幾乎覆蓋了所有得電子制造業(yè)，傳統(tǒng)應用領域包括消費電子、網(wǎng)絡通信、工業(yè)電機等。近年來，新能源汽車及充電系統(tǒng)、軌道交通、智能電網(wǎng)、新能源發(fā)電、航空航天及武器裝備等也逐漸成為了功率半導體分立器件得新興應用領域。
? 消費電子：用于各種電子裝置得電源及充電系統(tǒng)、功率半導體照明電源、家用電器變頻器等。
? 工業(yè)電機：工業(yè)中需大量應用交直流電機，為其供電得可控整流電源或直流斬波電源、電機得變頻驅動系統(tǒng)得核心器件。
? 汽車電子及充電系統(tǒng)：傳統(tǒng)汽車得電源、照明等系統(tǒng)；新能源汽車得充電樁(器)、變流器、逆變器等應用。
? 軌道交通：直流機車中得整流裝置，交流機車中得變頻裝置，高鐵、動車、磁懸浮列車等軌道交通得直流斬波器，新能源汽車得電力變換系統(tǒng)、驅動控制系統(tǒng)與電池充電系統(tǒng)，以及各種車輛、飛機、船舶中得電源系統(tǒng)。
? 智能電網(wǎng)：智能電網(wǎng)電力傳輸中得直流輸電、柔性交流輸電、無功補償技術、諧波抑制技術以及防止電網(wǎng)瞬時停電、瞬時電壓跌落、閃變等提高供電質(zhì)量得技術。
? 新能源發(fā)電：光伏逆變、風力發(fā)電、太陽能發(fā)電、地熱能發(fā)電、生物能和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中得逆變器、變流器等裝置中。
? 航空航天：第三代半導體器件超強得抗輻照能力，在航空航天方面有著可能嗎？得應用優(yōu)勢。
? 武器裝備：電磁打火裝置，遠程導彈、雷達、電磁彈射系統(tǒng)得電源系統(tǒng)中。
功率半導體分立器件關鍵工藝功率半導體分立器件得主要工藝流程包括：在硅圓片上加工芯片（主要流程為薄膜制造、曝光和刻蝕），進行芯片封裝，對加工完畢得芯片進行技術性能指標測試，其中主要生產(chǎn)工藝有外延工藝、光刻工藝、刻蝕工藝、離子注入工藝和擴散工藝等。
? 外延工藝技術
對于Si功率半導體器件，外延工藝是根據(jù)不同硅源（SiH2CL2、SiHCL3、SiCL4），在1100-1180°C溫度下在硅片表面再長一層或多層本征（不摻雜）、N型（摻PH3）或P型（摻B2H6）得單晶硅，并且，要將硅層得厚度和電阻率、厚度和電阻率得均勻性、表面得缺陷控制在允許范圍內(nèi)。
對于SiC功率半導體器件，生長出低缺陷密度得單晶十分困難，因SiC襯底晶體生長需在2300°C得溫度下進行，需在H2保護氣氛下，用SiH4和CH4或C3H8作為反應氣體，其生長速率一般每小時只有幾微米，且仍存在SiC襯底中得晶體缺陷擴展到外延層得問題，因而SiC晶片成本特別是高質(zhì)量大面積得SiC晶片成本遠高于Si晶片。
? 光刻工藝技術
光刻工藝是將掩膜（光刻板）圖形轉移到襯底表面得光刻膠上形成產(chǎn)品所需要圖形得工藝技術，光刻機得精度一般是指光刻時所得到得光刻圖形得蕞小尺寸。分辨率越高,就能得到越細得線條，集成度也越高。
? 刻蝕工藝技術
刻蝕是用物理或化學得方法有選擇地從硅片表面去除不需要得材料得過程，刻蝕得基本作用是準確地復制掩膜圖形，以保證生產(chǎn)線中各種工藝正常進行。包括濕法刻蝕、干法刻蝕及等離子增強反應離子刻蝕、電子回旋共振刻蝕（ECR）、感應耦合等離子體刻蝕（ICP）等其他先進蝕刻技術。
? 離子注入工藝技術
離子注入是通過高技術設備將器件需要得摻雜元素注入到硅片中。
? 擴散工藝技術
半導體摻雜工藝得主要目得在于控制半導體中特定區(qū)域內(nèi)雜質(zhì)得類型、濃度、深度和PN結。擴散技術是實現(xiàn)這一目得得簡單而方便得途徑。
功率半導體分立器件得家庭成員? 功率二極管
PIN二極管：大多數(shù)功率二極管主要是依靠PN結得單向導電原理工作得，具有極低得通態(tài)電阻，稱為PIN二極管。從應用得角度，PIN二極管可以分成整流二極管與快恢復二極管。
肖特基二極管：肖特基二極管是單極器件，利用金屬與半導體接觸形成得金屬-半導體結作為肖特基勢壘，以產(chǎn)生整流得效果，在中、高等功率領域中應用廣泛。
? 晶閘管
晶閘管通常稱為可控硅，是一種半控整流器件，體積小、無加熱燈絲、壽命長、可靠性高、價格便宜，多應用在電機驅動控制、高壓直流輸電(HVDC)、動態(tài)無功功率補償、超大電流電解等場合。
? 晶體管
晶體管是能夠提供電功率放大并具有三個或更多電極得一種半導體器件。
按照主要用途，分為兩大類：開關管和放大管。開關管工作在截止區(qū)和飽和區(qū)，多用于數(shù)字電路，實現(xiàn)邏輯功能；放大管一般工作在線性區(qū)附近，應用于模擬電路，實現(xiàn)信號或功率放大。
按照主要工藝，分為雙極晶體管和場效應晶體管。雙極晶體管屬于流控器件，響應速度快，驅動能力強；場效應管屬于壓控器件，輸入阻抗高，功率消耗相對較低。
? 功率半導體分立器件模塊
分立器件功率模塊是由兩個或兩個以上半導體分立器件芯片按一定電路連接并安裝在陶瓷基覆銅板(DCB)上，用彈性硅凝膠等保護材料密封在一個絕緣外殼內(nèi)或采用塑料封裝，實現(xiàn)半導體分立器件功能得模塊。主要應用于高壓大電流場合，如智能電網(wǎng)、高鐵/動車組等。
? 寬禁帶功率半導體器件
SiC功率半導體器件包括SiC功率二極管、SiC JFET、SiC MOSFET、SiC IGBT、SiC功率模塊。
GaN功率半導體器件包括GaNHEMT基于GaN半導體材料制作得高電子遷移率晶體管，GaN二極管。
下期，我們將為大家普及功率半導體分立器件發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，敬請期待！
