半导体器件的发展史及现代半导体器件发展趋势是什么样的?

皇华电子元器件IC供应商 发表于 2018-07-15 09:35:09 收藏 已收藏
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半导体器件的发展史及现代半导体器件发展趋势是什么样的?

皇华电子元器件IC供应商 发表于 2018-07-15 09:35:09

电力电子器件(Power Electronic Device)又称为功率半导体器件,主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面大功率的电子器件(通常指电流为数十至数千安,电压为数百伏以上),其不断发展引导着各种电力电子拓扑电路的不断完善,今天小慕带大家一起回顾下电力电子器件的发展史,一起领略人类智慧如何一步步进入这个神奇的电力世界。

半导体器件的发展史及现代半导体器件发展趋势是什么样的?

史前

这个得从爱迪生在研究电灯泡时说起,他做了管壁的防尘防烟实验,1880年无意间发现在灯泡管内插入独立电极的地方与灯丝之间,在某种条件下会产生电流。这个现象被称为「爱迪生效应」,爱迪生本人没有继续探讨,直到1904年英国佛莱明在横越大西洋无线电通信发报机中,才首次利用「爱迪生效应」研制出一种能够充当交流电整流和无线电检波的特殊灯泡—“热离子阀”,从而催生了世界上第一只电子管,称为佛莱明管(二极检波管),也就是人们所说的真空二极管,世界进入电子时代,主要应用的是通信和无线电领域。当时的佛莱明管只有检波与整流的功用,而且并不稳定。

半导体器件的发展史及现代半导体器件发展趋势是什么样的?

第一只真空二极管

1906年,为了提高真空二极管检波灵敏度,德·福雷斯特在佛莱明的玻璃管内添加了栅栏式的金属网,形成第三个极,三极真空管被发明,让真空管具有放大与振荡的功能,我们通常认定1906年是真空管元年。

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德·福雷斯特与真空三极管

1930年代-1950年代,水银整流器迅速发展,广泛应用于电化学工业、电气铁道直流变电、直流电动机的传动,此时,整流、逆变、周波变流电路都已成熟并被广泛应用。

1947年,美国著名的贝尔实验室发明了晶体管,这个晶体管是点触式器件,用多晶锗做成,继而硅材料器件同样实现,一场电子技术的革命开始了。

半导体器件的发展史及现代半导体器件发展趋势是什么样的?

第一个晶体管

时代的开始

1957年,美国通用电气公司,第一个晶闸管出现,标志着电力电子技术的诞生,正式进入了电力电子技术阶段,也就是第一代电力电子器件稳步发展的开始。

第一代电力电子器件就是以晶闸管为代表,主要用于相控电路。这些电路十分广泛地用在电解、电镀、直流电机传动、发电机励磁等整流装置中,与传统的汞弧整流装置相比,不仅体积小、工作可靠,而且取得了十分明显的节能效果,因此电力电子技术的发展也越来越受到人们的重视,已普遍应用于变频调速、开关电源、静止变频等电力电子装置中。

但是由于第一代电力电子器件通过其门极只能控制其导通,不能控制其关断,所以只能是半控型器件。半控型器件在直流供电场合,要实现关断必须另加电感、电容和其他辅助开关器件组成强迫换流电路,这样造成的缺点是:变流装置整机体积增大,重量增加、效率降低,并且工作频率一般低于400Hz。

快速发展时期

1970年代后期,门极可关断晶闸管GTO、电力双极型晶体管BJT、电力场效应晶体管功率MOSFET为代表的全控型器件迅速发展,第二代电力电子器件应运而生,其工作频率达到兆赫级。集成电路的技术促进了器件的小型化和功能化。这些新成就为发展高频电力电子技术提供了条件,推动电力电子装置朝着智能化、高频化的方向发展。

第二代电力电子器件就实现了既能被控制导通,也能控制关断的全控型器件,使得各类电力电子变换电路及控制系统开始不断涌现,如直流高频斩波电路、软开关谐振电路、脉宽调制电路等。一直沿用于今天的各种常见电源上,跨入全控器件快速发展阶段。

1980年代后期,以绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)集合了MOSFET的驱动功率小、开关速度快和BJT通态压降小、载流能力大的优点,成为现代电力电子技术的主要器件;在中低频大功率电源中占重要地位。20世纪90年代,智能功率模块使功率器件的发展向大功率、高频化、高效率跨向一大步。

↓ 电力电子器件发展图 ↓

半导体器件的发展史及现代半导体器件发展趋势是什么样的?

不同器件各居领地

这些功率器件在各自不同的领域发挥着各自重要的作用。按照导通、关断的受控情况可分为不可控、半控和全控型器件,按照载流子导电情况可分为双极型、单极型和复合型器件,按照控制信号情况,可以分为电流驱动型和电压驱动型器件,根据它们的这些结构和特点应用领域也不完全相同。

电力电子器件分类及特点

目前,以MOSFET、IGBT、晶闸管等为代表的主流功率器件在各自的频率段和电源功率段占有一席之地。

功率MOSFET的问世打开了高频应用的大门,这种电压控制型单极型器件,主要是通过栅极电压来控制漏极电流,因而它有一个显著特点就是驱动电路简单、驱动功率小,开关速度快,高频特性好,最高工作频率可达1MHz以上,适用于开关电源和高频感应加热等高频场合,且安全工作区广,没有二次击穿问题,耐破坏性强。缺点是电流容量小,耐压低,通态压降大,不适宜大功率装置。目前MOSFET主要应用于电压低于1000V,功率从几瓦到数千瓦的场合,广泛应用于充电器、适配器、电机控制、PC电源、通信电源、新能源发电、UPS、充电桩等场合。

IGBT综合了MOSFET和双极型晶体管的优势,有输入阻抗高,开关速度快,驱动电路简单等优点,又有输出电流密度大,通态压降下,电压耐压高的优势,电压一般从600V~6.5kV。IGBT优势通过施加正向门极电压形成沟道,提供晶体管基极电流使IGBT导通,反之,若提供反向门极电压则可消除沟道,使IGBT因流过反向门极电流而关断。比较而言,IGBT开关速度低于MOSFET,却明显高于GTR;IGBT的通态压降同GTR接近,但比功率MOSFET低很多;IGBT的电流、电压等级与GTR接近,而比功率MOSFET高。由于IGBT的综合优良性能,已经取代GTR,成为逆变器、UPS、变频器、电机驱动、大功率开关电源,尤其是现在炙手可热的电动汽车、高铁等电力电子装置中主流的器件。

各器件应用电路

单管输出功率与工作频率的关系

各器件电压和输出功率水平

第三代宽禁带半导体器件

前面都是以Si材料为基础的各种电力电子器件,随着Si材料电力电子器件逐渐接近其理论极限值,利用宽禁带半导体材料制造的电力电子器件显示出比Si和GaAs更优异的特性,给电力电子产业的发展带来了新的生机。相对于Si材料,使用宽禁带半导体材料制造新一代的电力电子器件,可以变得更小、更快、更可靠和更高效。这将减少电力电子元件的质量、体积以及生命周期成本,允许设备在更高的温度、电压和频率下工作,使得电子电子器件使用更少的能量却可以实现更高的性能。下图中对Si、4H-SiC以及GaN的几个重要参数性能进行了对比。基于这些优势,宽禁带半导体在家用电器、电力电子设备、新能源汽车、工业生产设备、高压直流输电设备、移动基站等系统中都具有广泛的应用前景。

不同半导体材料的参数对比

其中:

禁带宽度Eg增加:反向漏电减小,工作温度高,抗辐射能力强;

更高的临界电场:导通电阻减小,阻断电压增大;

热导率:高的热导率,代表热阻小,热扩散能力好,功率密度高;

更快的饱和漂移速率:开关速度快,工作效率高;

市场现状及应用领域

目前,国际电力电子市场以年均15%的速度增长,电力电子器件的主要供应商集中在美国、日本以及欧洲,如通用电器、东芝、英飞凌等。而且以硅基功率MOSFET和IGBT为代表的场控型器件占据国际市场的主导地位,其中IGBT更是有高达30%的年均增长率。而SiC和GaN等新型材料电力电子器件,受到时间、技术成熟度和成本的制约,尚处于市场开拓初期。

我国的电力电子器件市场在全球市场中占据的份额逐年增长,年增长率接近20%,已成为全球最大的功率电力电子器件需求市场。电力电子器件在当今主要的应用领域包括电力系统、消费电子、计算机、网络通信、工业控制、汽车电子等。其中前三个领域为电力电子器件的重要应用领域,占据着最大的市场份额。

半导体器件的发展史及现代半导体器件发展趋势是什么样的?

功率器件主要应用产品市场

(中国功率器件行业产销需求与投资战略规划分析报告,摘自前瞻产业研究院)

新材料应用

传统的电力电子器件一般都是以硅(Si)半导体材料制成的。近年来,出现了很多以砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)、磷化铟(InP)及锗化硅(SiGe)等性能优良的新型化合物半导体材料为基础制成的电力电子器件。

①砷化镓(GaAs):继硅之后最成熟的半导体材料。具有很好的耐高温特性,有利于模块小型化,从而减小寄生电容提高开关频率。

②碳化硅(SiC):目前发展最典型的宽禁带半导体之一,被人称为第三代半导体,可制作出性能更加优异的高温、高频、高功率、高速度、抗辐射器件。

③磷化铟(InP):继Si与GaAs后的新一代功能材料,具有高耐压、更高的热导率、高场下更高的电子迁移速度。可作为高速、高频微波器件的材料。

④锗化硅(SiGe):一种高频半导体材料,既有Si工艺的集成度和成本优势,又有GaAs和InP速度方面的优点。

⑤氮化镓(GaN):第三代半导体材料,具有禁带宽度大、热导率高、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性,是现在世界上人们最感兴趣的半导体材料之一。

现代电力电子器件发展趋势

现代电力电子器件仍在往大功率、易驱动和高频化方向发展,模块化是向高功率密度发展的重要一步。当前电力电子器件的主要发展趋势如下:

①IGBT(绝缘栅双极晶体管):N沟道增强型场控复合器件,兼具MOSFET和双极性器件的优点。

②MCT(MOS控制晶闸管):新型MOS与双极复合型器件,采用集成电路工艺,在普通晶闸管结构中制作大量MOS器件,通过MOS器件的通断来控制晶闸管的通断。

③IGCT(集成门极板换流晶闸管):用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。

④IEGT(电子注入增强栅晶体管):耐压达4KV以上的IGBT系列电力电子器件,通过采取增强注入的结构实现了低通态电压,使大容量电力电子器件取得飞跃性发展。

⑤IPEM(集成电力电子模块):将电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块,实现了电力电子技术的智能化和模块化。

⑥PEBB(电力电子模块):在IPEM基础上发展起来的可处理电能集成的器件或模块。

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