常見的幾種功率半導體器件

半導體是我們生活中使用的電器里比較常用的一種器件，那么你對半導體有多少了解呢？今天我們就從最基礎的半導體功率器件入手，全面了解半導體的“前世今生”。

電力電子器件又稱為功率半導體器件，用于電能變換和電能控制電路中的大功率（通常指電流為數十至數千安，電壓為數百伏以上）電子器件。

1、MCTMOS控制晶閘管 MCT是一種新型MOS與雙極復合型器件。MCT是將MOSFET的高阻抗、低驅動下MCT的功率、快開關速度的特性與晶閘管的高壓、大電流特型結合在一起，形成大功率、高壓、快速全控型器件。實質上MCT是一個MOS門極控制的晶閘管。它可在門極上加一窄脈沖使其導通或關斷，它由無數單胞并聯而成。

它與GTR、MOSFET、IGBT、GTO等器件相比，有如下優點：

· 電壓高、電流容量大，阻斷電壓已達3000V，峰值電流達1000A，最大可關斷電流密度為6000kA/m2；

· 通態壓降小、損耗小，通態壓降約為11V；

· 極高的dv/dt和di/dt耐量，dv/dt已達20kV/s，di/dt為2kA/s；

· 開關速度快，開關損耗小，開通時間約200ns，1000V器件可在2s內關斷。

2、IGCT

IGCT是在晶閘管技術的基礎上結合IGBT和GTO等技術開發的新型器件，適用于高壓大容量變頻系統中，是一種用于巨型電力電子成套裝置中的新型電力半導體器件。

IGCT是將GTO芯片與反并聯二極管和門極驅動電路集成在一起，再與其門極驅動器在外圍以低電感方式連接，結合了晶體管的穩定關斷能力和晶閘管低通態損耗的優點。在導通階段發揮晶閘管的性能，關斷階段呈現晶體管的特性。IGCT芯片在不串不并的情況下，二電平逆變器功率0.5~3MW，三電平逆變器1~6MW；若反向二極管分離，不與IGCT集成在一起，二電平逆變器功率可擴至4/5MW，三電平擴至9MW。

3、IEGT電子注入增強柵晶體管

IEGT是耐壓達4kV以上的IGBT系列電力電子器件，通過采取增強注入的結構實現了低通態電壓，使大容量電力電子器件取得了飛躍性的發展。IEGT具有作為MOS系列電力電子器件的潛在發展前景，具有低損耗、高速動作、高耐壓、有源柵驅動智能化等特點，以及采用溝槽結構和多芯片并聯而自均流的特性，使其在進一步擴大電流容量方面頗具潛力。

4、IPEM集成電力電子模塊

IPEM是將電力電子裝置的諸多器件集成在一起的模塊。IPEM實現了電力電子技術的智能化和模塊化，大大降低了電路接線電感、系統噪聲和寄生振蕩，提高了系統效率及可靠性。

5、PEBB

電力電子積木PEBB（Power Electric Building Block）是在IPEM的基礎上發展起來的可處理電能集成的器件或模塊。雖然它看起來很像功率半導體模塊，但PEBB除了包括功率半導體器件外，還包括門極驅動電路、電平轉換、傳感器、保護電路、電源和無源器件。多個PEBB模塊一起工作可以完成電壓轉換、能量的儲存和轉換、陰抗匹配等系統級功能，PEBB最重要的特點就是其通用性。

6、超大功率晶閘管

晶閘管（SCR）自問世以來，其功率容量提高了近3000倍。現在許多國家已能穩定生產8kV/4kA的晶閘管。日本現在已投產8kV/4kA和6kV/6kA的光觸發晶閘管（LTT），美國和歐洲主要生產電觸發晶閘管。預計在今后若干年內，晶閘管仍將在高電壓、大電流應用場合得到繼續發展。

7、脈沖功率閉合開關晶閘管

該器件特別適用于傳送極強的峰值功率（數MW）、極短的持續時間（數ns）的放電閉合開關應用場合，如：激光器、高強度照明、放電點火、電磁發射器和雷達調制器等。該器件能在數kV的高壓下快速開通，不需要放電電極，具有很長的使用壽命，體積小、價格比較低，可望取代目前尚在應用的高壓離子閘流管、引燃管、火花間隙開關或真空開關等。

8、新型GTO器件－集成門極換流晶閘管

當前已有兩種常規GTO的替代品：高功率的IGBT模塊、新型GTO派生器件-集成門極換流IGCT晶閘管。

9、高功率溝槽柵結構IGBT模塊

當今高功率IGBT模塊中的IGBT元胞通常多采用溝槽柵結構IGBT。與平面柵結構相比，溝槽柵結構通常采用1μm加工精度，從而大大提高了元胞密度。

10、電子注入增強柵晶體管IEGT

與IGBT一樣，它也分平面柵和溝槽柵兩種結構，前者的產品即將問世，后者尚在研制中。IEGT兼有IGBT和GTO兩者的某些優點：低的飽和壓降，寬的安全工作區（吸收回路容量僅為GTO的1/10左右），低的柵極驅動功率（比GTO低2個數量級）和較高的工作頻率。加之該器件采用了平板壓接式電極引出結構，可望有較高的可靠性。

11、MOS門控晶閘管

MOS門極控制晶閘管充分地利用晶閘管良好的通態特性、優良的開通和關斷特性，可望具有優良的自關斷動態特性、非常低的通態電壓降和耐高壓，成為將來在電力裝置和電力系統中有發展前途的高壓大功率器件。

12、砷化鎵二極管

與硅快恢復二極管相比，這種新型二極管的顯著特點是：反向漏電流隨溫度變化小、開關損耗低、反向恢復特性好。

13、碳化硅與碳化硅（SiC）功率器件

在用新型半導體材料制成的功率器件中，最有希望的是碳化硅（SiC）功率器件。它的性能指標比砷化鎵器件還要高一個數量級，碳化硅與其他半導體材料相比，具有下列優異的物理特點：高的禁帶寬度，高的飽和電子漂移速度，高的擊穿強度，低的介電常數和高的熱導率。而且，SiC器件的開關時間可達10nS量級，并具有十分優越的FBSOA。

而從發展歷程看，功率半導體器件先后經歷了：全盛于六七十年代的傳統晶閘管、近二十年發展起來的功率MOSFET及其相關器件，以及由前兩類器件發展起來的特大功率半導體器件，它們分別代表了不同時期功率半導體器件的技術發展進程。

概括來說，功率半導體器件主要有功率模組、功率集成電路（即Power IC，簡寫為PIC，又稱為功率IC）和分立器件三大類；其中，功率模組是將多個分立功率半導體器件進行模塊化封裝；功率IC對應將分立功率半導體器件與驅動/控制/保護/接口/監測等外圍電路集成；而分立功率半導體器件則是功率模塊與功率IC的關鍵。

這些功率器件在各自不同的領域發揮著各自重要的作用。不同功率半導體器件，其承受電壓、電流容量、阻抗能力、體積大小等特性也會不同，實際使用中，需要根據不同領域、不同需求來選用合適的器件。

隨著技術的不斷進步，功率半導體器件在不斷演進。自上世紀80年代起，功率半導體器件MOSFET、IGBT和功率集成電路逐步成為了主流應用類型。

目前，國際電力電子市場以年均15%的速度增長，電力電子器件的主要供應商集中在美國、日本以及歐洲，以硅基功率MOSFET和IGBT為代表的場控型器件占據國際市場的主導地位，其中IGBT更是有高達30%的年均增長率。而SiC和GaN等新型材料電力電子器件，受到時間、技術成熟度和成本的制約，尚處于市場開拓初期，但前景不可小覷。

審核編輯：湯梓紅