淺談功率半導體器件與普通半導體器件的區別

談到芯片，出現在腦海里的是“高精尖”，是一條條電路，是一個個信號，是“0”和“1”……如今芯片已經參與到了我們生活的方方面面，上到飛機衛星，下到手機電視，凡是有電的地方，就離不開芯片，芯片的發明給我們的生活帶來了便利。芯片的進步，是真正將科技成果轉化為實際應用的具體方式。 ?

芯片的發展牽動著每一個國人的心，中華民族的繁榮富強必定要邁過自主研發這一道坎。如今在各個領域，面臨國外的圍追堵截，我們總能突出重圍，探尋到屬于自己的一篇天地。在芯片領域也一樣，非光學光刻，新一代半導體材料等都是我國正在發展方向，尤其是在美國將中國多家涉及芯片設計、制造的公司和高校列入實體清單后，更加激起了我們實現芯片自主研發的渴望。

? ? 特別地，功率半導體芯片，算得上是我國芯片彎道超車的關鍵。電子科技大學在功率半導體領域有著悠久的發展歷史，電子科技大學功率集成技術實驗室（Power Integrated Technology Lab, PITeL），是“電子薄膜與集成器件國家重點實驗室”和“電子科技大學集成電路研究中心”的重要組成部分，被國際同行譽為“全球功率半導體技術領域最大的學術研究團隊”和 “功率半導體領域研究最為全面的學術團隊”。電子科技大學在我國芯片超英趕美的道路上發揮著重要作用。

? 功率半導體芯片

我們對一個行業的認知，大都關注其前沿發展動態，例如芯片行業的5nm芯片、7nm芯片，這些芯片類型屬于數字芯片。但在實際的每一個系統中，都需要模擬芯片和數字芯協同工作，才能出色的完成工作。這些高精度的芯片，受限于他的尺寸，并不能滿足高電壓等級的應用，同時，這類芯片受限于光刻、刻蝕等工藝制造，被國外“卡脖子”，國內行業發展困難。與此同時，在大多數模擬芯片領域，并不需要這么先進的工藝，國內的芯片工廠完全有能力生產出高性能的模擬芯片，尤其是功率芯片。正如其名字一樣，功率芯片在高電壓，大電流的應用場景嶄露頭角，尤其現在我國正大力發展通訊、高鐵、新能源汽車等，這些領域無一例外都需要功率芯片的賦能。

? 芯片是我們對集成電路的簡單概述，一顆芯片通常由許多模塊構成，例如，圖3為安森美半導體公司供電模塊示意圖。 ?

圖3?安森美半導體供電模塊示意圖

在每一個集成電路模塊中，功能的實現由許多“開關”組成，這些“開關”，就是半導體器件。在功率集成電路領域，由于其電壓等級需求較高，普通的半導體器件并不能夠實現高電壓的應用，用功率半導體器件來作為這些“開關”，完美的貼合了應用需求。功率半導體是一個小“開關”，其設計的功率集成電路是個大“開關”，這類應用的開關頻率，正隨著應用需求不斷提高，也是功率半導體技術發展的方向之一。圖4為功率開關驅動頻率的發展趨勢，說明了更快的功率集成電路是我們的發展需求 ?

圖4 功率開關驅動頻率發展趨勢

功率半導體器件

功率半導體器件與普通半導體器件的區別在于，其在設計的時候，需要多一塊區域，來承擔外加的電壓，如圖5所示，300V器件[1]的“N-drift”區域就是額外承擔高壓的部分。與沒有“N-drift”區的普通半導體器件[2]相比，明顯尺寸更大，這也是功率半導體器件的有點之一。雖然我們不能夠實現獨立自主的高精度光刻，但大尺寸的器件制造，給了我們彎道超車的機會。

圖5 300V功率半導體器件與普通半導體器件結構對比

圖6 功率半導體器件SEM剖面圖圖7為如今先進半導體器件“FINFET”結構的工藝制造步驟，需要通過多次高精度的光刻、刻蝕，才能夠最終實現，如今現在能夠實現這一制造流程的只有臺積電、三星和英特爾，但其中關鍵設備——***，仍然被荷蘭的ASML壟斷。 ?

圖7 FINFET工藝制造流程相比之下，功率集成電路的制造，并不需要通過FINFET工藝來實現，而是通過BCD工藝就能夠完成制造。圖8展示了一些現有技術的BCD工藝[3,4]，由此可見，與功率集成電路兼容的BCD工藝更加簡單。功率集成電路工藝是電子科技大學的特色方向，是我國芯片發展的重要組成部分。 ?

圖8 聯電BCD工藝（左）和日立BCD工藝

功率集成電路具體應用

集成功率芯片的類型數不勝數，下面就選幾個我們在日常生活中最常見到的類型給大家做個簡單的介紹。

微控制器

對大部分人來說，微控制器是一個很陌生的詞，因為我們很難直接的接觸到或者見過它的身影，但是它又與我們生活息息相關。 ? 微控制器可以簡單地定義為集成在一個小小的芯片上的微型計算機。相比一般的微型計算機，微控制器的運算能力被大大削弱，但是，微控制器內部集成了更多的功率模塊，因此有著很多的IO端口，通過IO端口可以直接對電機、LED、揚聲器等進行控制。并且由于微控制器的工作環境相對惡劣，因此往往對其穩定性和適用范圍有著苛刻的要求，同時為了避免在使用備用電池的情況下導致控制的系統失靈，大部分的微控制器都支持低功耗模式。可以說，在生活中任何與智能沾點邊的物品大多都會帶有微控制器。

圖10 開源微控制器RP2040引腳排列圖微控制器已成為物聯網不可或缺的一部分，廣泛地應用在各個領域，例如電機控制、條碼閱讀器/掃描器、消費類電子、游戲設備、電話、HVAC、樓宇安全與門禁控制、工業控制與自動化和白色家電（洗衣機、微波爐）等等。 ?

光耦芯片

光耦合器簡稱光耦，也稱為光電隔離器或光電耦合器，它的主要功能是實現電隔離。典型的光耦是將發光器（例如LED）、受光器（例如光敏二極管）以及柵驅動電路封裝在同一個管殼之中。當輸入端施加有效電信號的時候，發光器產生光亮，被封裝在同一管殼之中的受光器接收，轉化為電信號，被電路接收，經過電路的放大和最后部分的驅動，轉換為電信號從輸出端流出，通過這個流程實現了從電信號到光信號再到電信號的轉化。 ?