淺談功率半導體的技術與未來產業發展(一)

功率半導體作為一種重要的元器件，在強電與弱點之間的轉換控制中起著十分重要的作用，自誕生以來一直備受工程師的喜愛和關注。經過了很長一段時間的發展，功率半導體在相關電源電路中的應用已經不可替代。尤其是在當前太陽能著力發展的時代，功率半導體更是大踏步向前，雖然目前有著氮化鎵與碳化矽等更好的材料，但由於價格以及相關因素的緣故，功率半導體器件在相當長一段時期內會起著重要的作用，下面我們就功率半導體的技術以及未來的技術發展趨勢進行分析，希望能給大家提供必要的幫助。

　　一、功率半導體的重要性

　　功率半導體器件是進行電能（功率）處理的半導體產品，是弱電控制與強電運行間的橋梁。

　　在可預見的將來，電能將一直是人類消耗的最大能源。從手機、電視、洗衣機、到高速列車，均離不開電能。無論是水電、核電、火電還是風電，甚至各種電池提供的化學電能，大部分均無法直接使用，75%以上的電能應用需由功率半導體器件進行功率變換以後才能供設備使用。

　　每個電子產品均離不開功率半導體技術。功率半導體的目的是使電能更高效、更節能、更環保並給使用者提供更多方便。如通過變頻來調速，使變頻空調在節能50-70%的同時，更環保、更安靜、讓人更舒適。人們希望可攜式電子產品一次充電後有更長的使用時間，在電池沒有革命性進步以前，需要更高性能的功率半導體器件進行高效的電源管理。正是由於功率半導體能將「粗電」變為「精電」，因此它是節能減排的基礎技術和核心技術。

　　隨著綠色環保在國際間的確立與推進，功率半導體的應用範圍已從傳統的工業控制和4C產業（計算機、通信、消費類電子產品和汽車），擴展到新能源（風電、太陽能）、軌道交通、智能電網等新領域。據國際市場調研機構HISISuppliResearch報告，2011年全球功率半導體市場在2010年大增37.8%以後，繼續增長6.7%，達到331億美元。中國是全球功率半導體的最大市場，佔據了超過全球50%以上的份額。

　　與微處理器、存儲器等數字集成半導體相比，功率半導體的產品壽命周期相對較長，可為幾年甚至十幾年；同時功率半導體不追求特徵尺寸的快速縮小，不要求最先進的生產工藝，其生產線成本遠低於Moore定律制約下的超大規模集成電路。因此，功率半導體非常適合我國的產業現狀以及我國能源緊張和構建和諧社會的國情。

　　二、功率半導體的定義與分類

　　功率半導體（PowerSemiconductor，PowerManagementSemiconductor）器件可定義為進行功率處理的半導體器件。典型的功率處理功能包括變頻、變壓、變流、功率放大和功率管理等。

　　功率半導體器件包括功率二極體、功率開關器件與功率集成電路，前兩者也稱為功率（分立）器件。國內常常將功率（分立）器件稱為電力電子器件，這是因為早期的功率半導體器件如大功率二極體、晶閘管等主要應用於工業和電力系統領域。

　　圖1給出了功率半導體器件的分類。功率半導體器件包括功率（分立）器件（PowerDiscreteDevices）和功率集成電路。功率（分立）器件由功率二極體（PowerRectifiers和PowerDiodes）、功率電晶體（PowerTransistors）和晶閘管類器件（Thyristors）組成，其中常見的功率電晶體包括以VDMOS（VerticalDouble-DiffusionMOSFET）為代表的功率MOS器件（PowerMOSFETs）、絕緣柵雙極電晶體IGBT（InsulatedGateBipolarTransistors）和功率雙極電晶體（PowerBipolarTransistors或PowerBJT：PowerBipolarJunctionTransistors）。功率電晶體和晶閘管又可統稱為功率開關器件（PowerSwitches）。

　　功率集成電路（PIC：PowerIC）在國際上又常被稱為智能功率集成電路（SPIC：SmartPowerIC，國內又有人稱之為靈巧功率集成電路）或高壓集成電路（HVIC：HighVoltageIC），在本文中，我們將電源管理集成電路（PowerManagementIC）也納入PIC的範疇。

　　二十世紀八十年代之前的功率半導體器件主要是功率二極體、可控矽整流器（SCR）和功率BJT。除功率BJT中部分功率不大的電晶體可工作至微波波段外，其餘的功率半導體器件都是低