功率半导体是电力电子技术的关键部件,主要用作电路和系统中的开关或整流器。如今,功率半导体几乎广泛应用于人类活动的各个行业。我们的家用电器包括功率半导体,电动汽车包括功率半导体,飞机和宇宙飞船包括功率半导体。

事实上,功率半导体器件几乎无处不在,即使我们认为这是不可能的。过去,它们允许许多行业加速发展,它们是未来的基础。随着电动汽车的蓬勃发展、绿色能源计划、5G以及遍布全球的数据中心,我们可以确信功率半导体将继续增长、发展,并将我们周围的一切推向下一个水平。

有许多类型的功率半导体,甚至更多的应用,我们可以使用它们。基本上,所有功率半导体器件可分为三类——二极管、晶闸管和晶体管。此外,我们可以根据生产它们所用的材料将它们分为另外三组——硅(Si)、碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)。

从上图中可以看出,由于各种因素,目前用硅生产的功率半导体器件要多得多。首先,硅比碳化硅和氮化镓要古老得多,所以它已经在生产中使用了几十年。这就是为什么硅在市场上更容易买到,更重要的是,它比碳化硅和氮化镓便宜得多。

那么什么是硅呢?硅是一种符号为Si的化学元素和原子序数14。它是一种坚硬、易碎的晶体固体,具有蓝灰色金属光泽,是四价类金属和半导体。由于其对氧的高度化学亲和力,直到1823年才约恩斯·雅各布·贝泽利乌斯第一次能够制备它并以纯形式对其进行表征。它的氧化物形成一系列阴离子,称为硅酸盐。

按质量计算,硅是宇宙中第八种最常见的元素。它很少作为地壳中的纯元素出现。它以各种形式的二氧化硅(二氧化硅)或硅酸盐在宇宙尘埃等空间中分布最为广泛。超过90%的地壳由硅酸盐矿物组成。这就是为什么硅是地壳中第二丰富的元素(约28%的质量),仅次于氧。硅是一种天然元素,以前不存在时,在世界海洋中的停留时间约为400年。

大多数硅在商业上使用时不需要分离,而且通常很少加工天然矿物。此类用途包括粘土、硅砂和石头的工业建筑。碳化硅等硅化合物用作磨料和高强度陶瓷的部件。硅是被广泛使用的被称为硅酮的合成聚合物的基础。

20世纪末到21世纪初被称为硅时代。它也被称为数字时代或信息时代,因为硅元素对现代世界经济有着巨大的影响。半导体电子学中使用的相对较少的高纯度硅元素(<10%)对于大多数现代技术(例如计算机和手机)中使用的金属氧化物半导体(MOS)晶体管和集成电路芯片是必不可少的。

最广泛使用的硅器件是MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管),其制造数量超过历史上任何其他器件。游离硅也用于炼钢、铝铸造和精细化工行业(通常用于制造气相二氧化硅)。

硅功率半导体

有各种各样的硅功率半导体,甚至还有更多的变体。传统上,二极管、晶闸管和晶体管是最常见的硅功率半导体器件。

功率半导体二极管

二极管是一个二极管双端电子元件主要沿一个方向传导电流的。它在一个方向上具有低电阻,在另一个方向上具有高电阻。二极管最常见的功能是允许电流通过一个二极管,同时阻止电流向相反方向流动。这种单向行为称为整流,用于将交流电转换为直流电。

二极管用于电力电子应用,如整流器电路、开关逆变器和转换器电路。半导体二极管是最常见的二极管类型。只有在正向(即“低电阻”方向)存在特定阈值电压时,这些二极管才开始导电。当在这个方向上传导电流时,二极管被称为“正向偏置”。当以相反方向(即“高电阻”方向)连接到电路内时,二极管被称为“反向偏置”。

功率半导体晶闸管

晶闸管是一种具有四层交替P型和N型材料的固态半导体器件。它专门充当双稳态开关。当栅极接收到电流触发器时,它导通,并继续导通,直到器件两端的电压反向偏置,或直到电压被移除。一些资料来源将可控硅(SCR)和晶闸管定义为同义词。

最基本的形式是晶闸管有三个端子:阳极(正极端子)、阴极(负极端子)和栅极(控制端子)。栅极控制阳极和阴极之间的电流。晶闸管的主要功能是通过充当开关来控制电力和电流。对于这样一个小而轻的部件,它为具有大电压和电流的电路提供了足够的保护。它作为整流器很有吸引力,因为它可以快速地从传导电流状态切换到非传导状态。

功率半导体晶体管

晶体管是一种半导体器件,用于放大或切换电子信号和电源。它由半导体材料组成,通常至少有三个端子用于连接外部电路。施加在晶体管一对端子上的电压或电流控制通过另一对端子的电流。因为输出功率可以高于输入功率,晶体管可以放大信号。今天,有些晶体管是单独封装的,但更多的晶体管是嵌入在集成电路中的。

晶体管彻底改变了电子领域。他们为更小更便宜的收音机、计算器和计算机等铺平了道路。大多数晶体管是由非常纯的硅制成的。在场效应晶体管中,晶体管可以仅具有一种电荷载流子,或者在双极结晶体管器件中可以具有两种电荷载流子。

两种类型的晶体管,即NPN晶体管和PNP晶体管。具有两块n型半导体材料和一块P型半导体材料的晶体管称为NPN晶体管。类似地,如果该材料有一层N型材料和两层P型材料,则称为PNP晶体管。

晶体管有三个端子,即发射极、集电极和基极。

发射极是提供大部分电荷载体的大部分的部分,称为发射极。发射极总是以正向偏压的方式连接到基极,以便向基极提供大部分电荷载流子。发射极-基极结注入大量的大部分载流子到基极中,因为它是重掺杂和中等大小的。

收集器是收集发射器提供的大部分电荷载体的主要部分的部分,称为收集器。集电极-基极结始终处于反向偏置状态。它的主要功能是将大部分电荷从其与基座的连接处移除。晶体管的集电极部分是中等掺杂的,但尺寸较大,因此它可以收集发射极提供的大部分电荷载流子。

基极是晶体管的中间部分,称为基极。基极形成两个电路,一个是带发射极的输入电路,一个是带集电极的输出电路。发射极-基极电路正向偏置,为电路提供低电阻。集电极-基极结处于反向偏置状态,为电路提供更高的电阻。晶体管的基极是轻掺杂且非常薄的,因此它向基极提供了大部分电荷载流子。

碳化硅

现在生产速度更快、更轻、更紧凑宽禁带功率半导体使用了碳化硅和氮化镓等新材料。硅仍然占有更大的市场份额. 然而SiC和GaN的生长速度更快,所以WBG功率半导体将像硅一样普及和广泛应用只是时间问题。

碳化硅(SiC)也称为碳化硅,是一种含有硅和碳的半导体。它以极其罕见的矿物碳硅石的形式存在于自然界。合成碳化硅粉末自1893年起大量生产,用作磨料。碳化硅颗粒可以通过烧结结合在一起,形成非常坚硬的陶瓷。硬质陶瓷广泛应用于需要高耐久性的应用中,如汽车制动器、汽车离合器和防弹背心中的陶瓷板。碳化硅用于在高温或高压下工作的半导体电子器件中,或同时在高温和高压下工作。

碳化硅是一种碳化硅复合半导体. 与硅相比,它具有许多优点,包括击穿电场强度为硅的10倍,带隙为硅的3倍,并且能够实现器件结构所需的更大范围的p型和n型控制。其结果是突破性的性能,硅是不可能的,使其成为下一代功率器件最可行的后继产品。碳化硅存在多种多样(多晶型),每种都具有不同的物理性质。在这些多晶型中,4H-SiC是最理想的功率器件。

类似于硅功率半导体,碳化硅器件包括二极管、晶闸管和各种类型的晶体管。

氮化镓

氮化镓是一种二元III/V直接带隙半导体。它非常适合于能够在高温下工作的大功率晶体管。自20世纪90年代以来,它已普遍用于发光二极管(LED)。氮化镓发出蓝光,用于蓝光光盘读取。此外,氮化镓还用于半导体功率器件、射频器件、激光器和光子学。

氮化镓(GaN)是一种非常坚硬、机械稳定的宽带隙半导体。基于GaN的功率器件具有更高的击穿强度、更快的开关速度、更高的热导率和更低的导通电阻,大大优于硅基器件。氮化镓晶体可以在多种衬底上生长,包括蓝宝石、碳化硅(SiC)和硅(Si)。通过在硅上生长GaN外延层,可以使用现有的硅制造基础设施,无需昂贵的专业生产场地,并以低成本利用现成的大直径硅片。

氮化镓用于半导体功率器件、射频元件和发光二极管(LED)的生产。GaN已经证明了其在功率转换、射频和模拟应用中成为硅半导体的替代技术的能力。

与硅和碳化硅功率半导体不同,氮化镓包括二极管和晶体管。

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