【導(dǎo)讀】功率半導(dǎo)體是起到對(duì)電氣和電子設(shè)備運(yùn)行所需的電力進(jìn)行管理、控制和轉(zhuǎn)換作用的半導(dǎo)體元件。它被嵌入功率電子電路當(dāng)中，這些電路包括為家用電器和IT設(shè)備穩(wěn)定提供驅(qū)動(dòng)電力的電源電路、無(wú)浪費(fèi)地傳輸和分配電力的電力轉(zhuǎn)換電路以及通過(guò)可自由控制的扭矩和轉(zhuǎn)速高效率地驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電路等。
為加速實(shí)現(xiàn)碳中和，正在實(shí)施各種電氣化和節(jié)能化舉措。
世界各國(guó)政府以及各行各業(yè)的企業(yè)正在共同努力，推進(jìn)邁向碳中和的舉措。人們正在從能夠想到的多個(gè)角度實(shí)施脫碳措施，例如使用太陽(yáng)能發(fā)電等可再生能源，讓迄今為止燃燒化石燃料的設(shè)備實(shí)現(xiàn)電氣化，降低家用電器、IT設(shè)備和工業(yè)電機(jī)等現(xiàn)有設(shè)備的功耗等等。隨著越來(lái)越多的脫碳舉措得到實(shí)施，有一個(gè)半導(dǎo)體領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新正在迅速加速。它就是功率半導(dǎo)體。
各個(gè)國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)開(kāi)始將碳定價(jià)機(jī)制作為制度引入，以將與業(yè)務(wù)活動(dòng)相關(guān)的溫室氣體排放轉(zhuǎn)嫁到成本。因此，脫碳舉措不僅具有為社會(huì)做貢獻(xiàn)的重要意義，而且會(huì)對(duì)企業(yè)經(jīng)營(yíng)的成績(jī)單——財(cái)務(wù)報(bào)表也會(huì)產(chǎn)生明顯的數(shù)字影響。
脫碳舉措對(duì)電子行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，催生出勢(shì)不可擋的新一輪半導(dǎo)體技術(shù)更替和成長(zhǎng)，特別是在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬禁帶材料替代傳統(tǒng)硅基器件。
人類為了能在未來(lái)減少溫室氣體排放，時(shí)隔半個(gè)世紀(jì)，半導(dǎo)體材料正面臨全面變革！
進(jìn)一步降低功耗，硅基器件遭遇瓶頸
功率半導(dǎo)體是起到對(duì)電氣和電子設(shè)備運(yùn)行所需的電力進(jìn)行管理、控制和轉(zhuǎn)換作用的半導(dǎo)體元件。它被嵌入功率電子電路當(dāng)中，這些電路包括為家用電器和IT設(shè)備穩(wěn)定提供驅(qū)動(dòng)電力的電源電路、無(wú)浪費(fèi)地傳輸和分配電力的電力轉(zhuǎn)換電路以及通過(guò)可自由控制的扭矩和轉(zhuǎn)速高效率地驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電路等。
功率半導(dǎo)體有MOSFET、IGBT、二極管等各種元件結(jié)構(gòu)，根據(jù)用途分別使用。其中，
MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）
即金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管是一種起到電氣開(kāi)關(guān)作用的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。它由3層組成：金屬、氧化物和半導(dǎo)體，通過(guò)向稱為柵極的電極施加電壓來(lái)進(jìn)行打開(kāi)和關(guān)閉電流的動(dòng)作。
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）
即絕緣柵雙極晶體管，是具有將MOSFET和雙極晶體管組合后的結(jié)構(gòu)的晶體管。其特點(diǎn)是同時(shí)具有MOSFET的高速動(dòng)作和雙極晶體管的高耐電壓、低導(dǎo)通電阻的特點(diǎn)。
盡管結(jié)構(gòu)不同，半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)一直使用硅（Si）作為元件材料。這是因?yàn)镾i具有良好的電氣特性，同時(shí)具有易于加工成多種元件結(jié)構(gòu)的特性。
然而，目前Si基功率半導(dǎo)體已無(wú)法滿足進(jìn)一步降低多種電氣和電子設(shè)備功耗所需的高水平技術(shù)要求。為了克服這一瓶頸況，比Si更適合作為功率半導(dǎo)體材料的碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等新材料的使用范圍正在不斷擴(kuò)大。
SiC和GaN在擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度（影響耐電壓）、遷移率（影響動(dòng)作速度）和熱導(dǎo)率（影響可靠性）等多個(gè)物理特性上具有適合功率半導(dǎo)體的特點(diǎn)。如果能夠開(kāi)發(fā)出發(fā)揮其出眾特性的器件，就能制造出具有更高性能的功率半導(dǎo)體。
今天，基于SiC的MOSFET和二極管已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，并已用于電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器和太陽(yáng)能發(fā)電功率調(diào)節(jié)器中的DC/AC轉(zhuǎn)換器等。
基于GaN的HEMT（High Electron Mobility Transistor）也已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。HEMT是一種高電子遷移率的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，能通過(guò)連接不同性質(zhì)的半導(dǎo)體并誘導(dǎo)高遷移率電子來(lái)實(shí)現(xiàn)高速開(kāi)關(guān)。目前，氮化鎵HEMT已用于超小型PC的AC轉(zhuǎn)換器和智能手機(jī)充電器等。
然而，要充分發(fā)揮出SiC/GaN的潛力，離不開(kāi)電容器和電感器等無(wú)源元件的同步發(fā)展。
發(fā)揮SiC/GaN潛力，無(wú)源元件不可或缺
僅通過(guò)單純地替換現(xiàn)有電力電子電路中的Si基元件無(wú)法充分發(fā)揮基于新材料制造的功率半導(dǎo)體的潛力。這是因?yàn)榻M成電力電子電路的其他半導(dǎo)體IC、無(wú)源元件甚至控制軟件都是在以使用Si基功率半導(dǎo)體為前提的情況下開(kāi)發(fā)和選擇的。為了有效利用基于新材料的功率半導(dǎo)體，這些周邊元件也需要重新開(kāi)發(fā)和重新選擇。
使用GaN基功率半導(dǎo)體的AC/DC轉(zhuǎn)換器（用于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器等）電路示例
例如，在采用了為降低數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的功耗而引進(jìn)的GaN HEMT的AC/DC 轉(zhuǎn)換器電路中，使用了多個(gè)GaN HEMT（上圖）。
利用GaN HEMT可以在高電壓時(shí)進(jìn)行高速開(kāi)關(guān)的特性，可以提高功率電子電路的開(kāi)關(guān)頻率（動(dòng)作頻率）。在動(dòng)作頻率較高的電路中，電路中內(nèi)置的電容器和電抗器信號(hào)處理電路中的電感器的電抗值可以很小。一般來(lái)說(shuō)，低電抗元件的尺寸較小，因此可以讓電路板更小并提高功率密度。同樣，在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的電機(jī)的逆變器電路等當(dāng)中也可以通過(guò)引入SiC MOSFET實(shí)現(xiàn)周邊元件小型化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)逆變器電路整體的小型化和輕量化。
另一方面，在高電壓時(shí)進(jìn)行高速開(kāi)關(guān)的電源會(huì)產(chǎn)生高水平的噪聲，這可能會(huì)對(duì)周邊設(shè)備的動(dòng)作產(chǎn)生不利影響。采用SiC或GaN功率半導(dǎo)體構(gòu)建的電源在更高頻率下進(jìn)行開(kāi)關(guān)，所以進(jìn)一步增加了風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要比使用以前的電力電子電路時(shí)更加嚴(yán)格的噪聲對(duì)策。在這種情況下，需要使用設(shè)計(jì)用于高電壓、大電流和高頻電路的靜噪元件，而不是用于以前的電路的靜噪元件。
除此之外，對(duì)于在無(wú)源元件當(dāng)中也屬于特別笨重的元件的變壓器，也需要在更高頻率下工作的小型變壓器。現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了以使用基于SiC和GaN的功率半導(dǎo)體為前提的薄型平面變壓器等，并且已經(jīng)投入市場(chǎng)。
不僅關(guān)注功率半導(dǎo)體，關(guān)注周邊元件的進(jìn)步同樣重要！
迄今為止，多種類型的半導(dǎo)體（不僅僅是功率半導(dǎo)體）都是使用以Si為基礎(chǔ)制成的。因此，許多現(xiàn)有的電子元件都默認(rèn)是以與Si基半導(dǎo)體組合使用為前提進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。為了充分發(fā)揮采用新材料制成的功率半導(dǎo)體的效果，不僅需要在現(xiàn)有元件中尋找更好的元件，而且可能需要開(kāi)發(fā)滿足新技術(shù)要求的新元件。
按元件材料和結(jié)構(gòu)劃分的功率半導(dǎo)體分布
一般來(lái)說(shuō)，在Si基功率半導(dǎo)體中，呈現(xiàn)可以應(yīng)對(duì)更高電壓和更大電流的元件的動(dòng)作速度更低的趨勢(shì)（上圖）。因此，能夠應(yīng)對(duì)高電壓和大電流的小型電容器和電抗器并不齊全。
此外，在能夠在高溫下穩(wěn)定工作的SiC基功率半導(dǎo)體當(dāng)中，有將散熱系統(tǒng)簡(jiǎn)化以減小尺寸和重量并降低成本的趨勢(shì)。在這些情況下，無(wú)源元件在高溫環(huán)境下也需要確保高可靠性。
在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域引入新材料是對(duì)半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)針對(duì)Si材料進(jìn)行優(yōu)化的電氣電子生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行根本性變革的重大動(dòng)向。針對(duì)新材料進(jìn)行優(yōu)化的周邊電子元件的進(jìn)步也非常值得關(guān)注。
文章來(lái)源：Murata村田中國(guó)
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