功率半导体器件
“power semiconductor device”和“power integrated circuit(简写为power IC或PIC)”直译就是功率半导体器件和功率集成电路。
在国际上与该技术领域对应的最权威的学术会议就叫做International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs，即功率半导体器件和功率集成电路国际会议。
“power”这个词可译为动力、能源、功率等，而在中文里这些词的含义不是完全相同的。
由于行业的动态发展，“power”的翻译发生了变化。
从上世纪六七十年代至八十年代初，功率半导体器件主要是可控硅整流器(SCR)、巨型晶体管(GTR)和其后的栅关断晶闸管(GTO)等。
它们的主要用途是用于高压输电，以及制造将电网的380V或220V交流电变为各种各样直流电的中大型电源和控制电动机运行的电机调速装置等，这些设备几乎都是与电网相关的强电装置。
因此，当时我国把这些器件的总称———power semiconductor devices没有直译为功率半导体器件，而是译为电力电子器件，并将应用这些器件的电路技术power electronics没有译为功率电子学，而是译为电力电子技术。
与此同时，与这些器件相应的技术学会为中国电工技术学会所属的电力电子分会，而中国电子学会并没有与之相应的分学会；其制造和应用的行业归口也划归到原第一机械工业部和其后的机械部，这些都是顺理成章的。
实际上从直译看，国外并无与电力电子相对应的专业名词，即使日本的“电力”与中文的“电力”也是字型相同而含义有别。
此外，当时用普通晶体管集成的小型电源电路———功率集成电路，并不归属于电力电子行业，而是和其他集成电路一起归口到原第四机械工业部和后来的电子工业部。
20世纪80年代以后，功率半导体行业发生了翻天覆地的变化。
功率半导体器件变为以功率金属氧化物半导体场效应晶体管(功率MOSFET，常简写为功率MOS)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及功率集成电路(power IC，常简写为PIC)为主。
这一转变的主要原因是，这些器件或集成电路能在比以前高10倍以上的频率下工作，而电路在高频工作时能更节能、节材，能大幅减少设备体积和重量。
尤其是集成度很高的单片片上功率系统(power system on a chip，简写PSOC)，它能把传感器件与电路、信号处理电路、接口电路、功率器件和电路等集成在一个硅芯片上，使其具有按照负载要求精密调节输出和按照过热、过压、过流等情况自我进行保护的智能功能，其优越性不言而喻。
国际专家把它的发展喻为第二次电子学革命。
自从50年代，硅晶闸管问世以后，50多年来，功率半导体器件的研究工作者为达到理想化的目标做出了不懈的努力，并以取得了使世人瞩目的成就。
60年代后期，可关断晶闸管GTO实现了门极可关断功能，并使斩波工作频率扩展到
1KHZ以上。
70年代中期，大功率晶体管和功率MOSFET问世，功率器件实现
了场控功能，打开了高频应用的大门。
80年代，绝缘栅双极晶体管（IGBT）问世，它综合了功率MOSFET和双极型功率晶体管两者的功能。
因此，当前功率器件研究工作的重点主要集中在研究现有功率器件的集成性能，MOS门控晶体管的改进，以及采用新型半导体材料制造新型的功率器件等。
瑞士ABB半导体公司是ABB集团的全资子公司，是世界上最著名的大功率半导体生产商之一。
西安赛晶电子科技责任有限公司是瑞士ABB半导体公司在中国的首家代理，本公司在为客户提供先进的大功率半导体器件的同时，以西安电力电子技术研究所为其坚强的技术后盾，为客户提供较强的技术支持和服务。
一大功率半导体器件的最新发展
1．普通晶闸管(PCT)
PCT自问世以来，其功率容量已提高了近3000倍。
现在许多国家已能稳定生产Φ100mm，8000V/4000A的晶闸管。
日本现在已能稳定生产8000V/4000A和6000V/6000A的光触发晶闸管。
近十几年来，由于自关断器件的飞速发展，晶闸管的应用领域有所缩小，但是，由于它的高电压、大电流特性，它在HVDC，静止无功补偿（SVC），大功率直流电源及超大功率和高压变频调速等方面仍然占有十分重要的地位。
预计在今后若干年内，晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。
2、门极可关断晶闸管(GTO)
1982年日本日立公司首先研制成功2500V,1000A的GTO。
许多的生产商可提供额定开关功率36MVA(6000V,6000A)用的高压大电流GTO。
为了折衷它的导通、开通和关断特性，传统GTO的典型的关断增量仅为3-5。
GTO关断期间的不均匀性使GTO关断期间dv/dt必须限制在500-1000v/μs。
为此,人们不得不使用体积大、笨重、昂贵的吸收电路。
它的其他缺点是门极驱动电路较复杂和要求较大的驱动功率。
但是，高的导通电流密度、高的阻断电压、阻断状态下高的dv/dt耐量和有可能在内部集成一个反并二极管，这些突出的优点仍使人们对GTO感兴趣。
到目前为止，传统的GTO在高压（VBR>3300V）/大功率
（0.5-20MVA）牵引、工业和电力逆变器中是应用得最为普遍得门控功率半导体器件。
目前，GTO的最高研究水平为6英寸、6000V/6000A以及9000V/10000A。
这种GTO采用了大直径均匀结技术和全压接式结构，通过少子寿命控制技术折衷了GTO导通电压与关断损耗两者之间的矛盾。
由于GTO具有门极全控功能，它正在许多应用领域逐步代替PCT。
为了满足电力系统对1兆VA以上的三相逆变功率电压源的需要，近期很可能开发10，000A,12,000V的GTO,并可能解决30多个高压GTO串联的技术，可望使电力电子技术在电力系统应用方面再上一个台阶。
3、绝缘栅双极晶体管（IGBT）
IGBT的研制成功并投放市场，由于具有功率MOSFET和大功率晶体管（GTR）的双重优点，所以被认为是电力电子最具代表性的器件，甚至有人称：“21世纪是IGBT的时代”。
IGBT是一种电压驱动元件，因而门极驱动电路简单，它有较好的频率（开关）、保护和di/dt 、dv/dt特性，是目前100KHZ以下各种类型变频器逆变器应用最普遍使用的最多的元件。
IGBT最成功的应用是交流电动机调速和低压变频器逆变器，尤以变频器调速最具代表性。
目前市场销售的低压交流电动机变频器调速，不管是哪一个国家、公司的产品，功率器件几乎都是IGBT。
九十年代末，大功率高电压IGBT促进了高压交流电动机变频调速的发展，在中小功率等级，使得使用PCT和GTO的变频调速装置相形见绌。
目前，IGBT的最高水平为，单管：3000A/5000V；模块：1200A/3300V。
从不串不并的前提出发，IGBT在低于1000KW的功率范围使用。
４、集成门极换向晶闸管（IGCT）
IGCT晶闸管是一种新型的大功率器件，与常规GTO晶闸管相比，它具有许多优良的特性。
例如，不用缓冲电路能实现可靠关断、存储时间短、开通能力强、关断门极电荷少和应用系统（包括所有器件和外围部件如阳极电抗器和缓冲电容器等）总的功率损耗低等。
在上述这些特性中，优良的开通和关断能力是特别重要的方面，因为在一个系统中，GTO的应用条件主要是受到这些开关特性的局限。
众所周知，GTO的关断能力与其门极驱动电路的性能关系极大，当门极关断电流的上升率
（diGQ/dt）较高时，GTO晶闸管则具有较高的关断能力。
一个4.5KV/4KA的IGCT与一个4.5KV/4KA的GTO的硅片尺寸类似，可是它能在高于6KA的情况下不用缓冲电路加以关断，它的diGQ/dt高达6000A/us.至于开通特性，门极开通电流上升率(diG/dt )也非常重要，相对于说可以借助于低的门极驱动电路的电感比较容易实现。
由此可见，有效硅面积小，低损耗、快速开关、内部机械部件极少这些优点保证了IGCT可以较低的成本，紧凑、可靠、高效率地用于300KVA －10 MVA变流器，而不需要串联或并联。
如用串联，逆变器功率可扩展到100 MVA范围而用于电力设备。
想对于高压IGBT来讲，虽然高功率的IGBT模块具有一些优良的特性，如能实现di/dt 和dv/dt的有源保护等，但是，高的导通损耗、低的硅有效面积利用率、损坏后造成开路以及无长期可靠运行数据等缺点，局限了高频率IGBT模块在高频率低频变流器中的实际应用。
因此在大功率MCT 未问世以前，IGCT可望成为高功率高电压低频变流器的优选功率器件之一。
5、MOS门控晶闸管
MOS门控晶闸管充分地利用晶闸管良好的通态特性及MOS管优良的开通和关断特性，可望具有优良的自关断动态特性和非常低的通态电压降，并易于得到高的耐压，成为将来在电力装置和电力系统中有发展前途的高压大功率器件。
目前世界上虽有十几家公司在积极开展对MCT的研究，但是仍然处于研制阶段，
MOS门控晶闸管主要有三种结构：MOS场控晶闸管（MCT）;基极电阻控制晶闸管（BRT）;及发射极开关晶闸管（EST）。
其中EST可能是MOS门控晶闸管中最有希望的一种结构。
但是，这种器件要真正成为商业化的实用器件，达到取代GTO的水平，可能还需要相当长的一段时间。
6、采用新型半导体材料制造的新型功率器件
在采用新型半导体材料制成的功率器件中，最有希望的，是碳化硅（SiC）功率器件，与其它半导体材料相比，具有下列优异的物理特性：高的禁带宽度，高的饱和电子漂移速度，高的击穿强度，低的介电常数和高的热导率。
上述这些优异的物理特性，决定了碳化硅在高温、高频率、高功率的应用场合是极为理想的半导体材料。
在同样的耐压和电流水平下，SiC器件的漂移区电阻要比硅低200倍，即使高耐压的SiC场效应管的导通压降，也比单极型、双极型硅器件低的多。
而且，SiC器件的开关时间可达10nS量级，并具有十分优越的安全工作区（FBSOA）。
SiC可以用来制造射频和微波功率器件，及各种高频整流器，
MOSFETs,MOSFETs,和JFETs等。
SiC高频整流器已在Motorola开发成功，并应用于微波和射频装置。
GE公司正在开发SiC功率器件和高温器件（包括用于喷气式引擎的传感器）。
西屋公司已经制造出了在26GHz频率下工作的甚高频的MESFET。
ABB公司正在研制高功率、高电压的SiC整流器和其它SiC低频功率器件，用于工业和电力系统。
LDMOS与VDMOS
LDMOS (横向扩散金属氧化物半导体)
在高压功率集成电路中常采用高压LDMOS满足耐高压、实现功率控制等方面的要求，常用于射频功率电路。
与晶体管相比，在关键的器件特性方面，如增益、线性度、开关性能、散热性能以及减少级数等方面优势很明显。
LDMOS由于更容易与CMOS工艺兼容而被广泛采用。
源电位为零，不同VGs下典型LDMOSFET的电流-电压特性(VDS代表漏源电压，IDS代表漏源电流)，共分为六个区域:
1)截止区，在这个区VGs≤VGs(th),VDs从零开始变大，电流Io始终接近于零，直到达到击穿电压BVdss为止;
2)线性区，又称非饱和区或欧姆区，VGs≥VGs(th)且Vxs<VGS- VGs(th)(Vxs为MosFET沟道末端的电压)，在该区沟道未夹断或VGs≥VGs(th)且Vxs<Vc(电子速度饱和的临界场强所对应的电压)，沟道中电子未达到速度饱和，IDS随VDS 增加而线性增加;
3)饱和区，Vxs>VGs一VGs(th)且VGs>VGs(th)，沟道已夹断或沟道中电子已完全达到速度饱和，VDs增大，IDS变化很小，漏电流饱和;
4)击穿区，VDs≥BVdss，外延层与漂移区形成的PN结发生雪崩击穿，电流急剧增大;
5)源漏正向偏置区，这时源电位高于漏电位，
与源相通P阱和漏区形成PN结正偏，电流随电压增加按指数规律急剧增加，表现为正偏二极管的I-V特性;
6)准饱和区，VGs很大时, IDS本身很大，但随VGs的增大没有很明显的增加，即跨导很小。
LDMOS与普通MOS的I一V特性有三点显著不同
(l)在饱和区IDs是随栅压线性增加的，这时跨导gm是常数，这是因为微波功率LDMOS的沟道很短，因此沟道中电场在饱和区很高，已经超过载流子速度开始出现饱和的临界电场Es。
(2)LDMOS在饱和区输出特性曲线很平，即输出阻抗很高，远大于一般MOS。
这是因为沟道末端有效漏电压远小于实际漏极电压VDs，当VDs变化时，由于JEFT效应，漂移区电阻变大，空间电荷区主要向LDD区扩展，沟道长度变化很小，同时沟道中载流子漂移速度己经达到饱和，几乎不随VDs的变化而变化，因此IDS在饱和区几乎不随VDS变化。
(3)LDMOS的I一V特性存在准饱和区，而一般MOS则没有。
LDMOS的这一特点是:VDs增加IDs也增加，不饱和。
而VDs增加时VDs随IDS变化很小，这时gm几乎为零。
其原因在于LDMOS存在一个寄生的JEFT，其沟道宽度受VGs 的调制。
当LDMOS栅极电压很高时，漂移区和衬底间的反偏P一N结耗尽层变宽，JEFT沟道变窄，沟道电阻很大，使大部分漏极电压降落到JEFT上，MOS 沟道末端的电压始终低于夹断电压，电流不会饱和。
LDMOS 的优势
卓越的效率，可降低功率消耗与冷却成本
卓越的线性度，可将信号预校正需求降到最低
优化超低热阻抗，可缩减放大器尺寸与冷却需求并改善可靠度
卓越的尖峰功率能力，可带来最少数据错误率的高3G 数据率
高功率密度，使用较少的晶体管封装
超低感抗、回授电容与串流闸阻抗，目前可让LDMOS 晶体管在双载子器件上提供7
bB 的增益改善
直接源极接地，提升功率增益并免除BeO 或AIN 隔离物质的需求
在GHz 频率下拥有高功率增益，带来更少设计步骤、更简易更具成本效益的设计(采
用低成本、低功率驱动晶体管)
功率器件中遇到的主要问题
BV和Ron之间的矛盾
在功率半导体器件中，MOSFET以高速、低开关损耗、低驱动损耗在各种功率变换，特别是高频功率变换中起着重要作用。
在低压领域，MOSFET没有竞争对手，但随着MOS的耐压提高，导通电阻随之以2.4-2.6次方增长，其增长速度使MOSFET制造者和应用者不得不以数十倍的幅度降低额定电流，以折中额定电流、导通电阻和成本之间的矛盾。
即便如此，高压MOSFET在额定结温下的导通电阻产生的导通压降仍居高不下，耐压500V以上的MOSFET的额定结温、额定电流条件下的导通电压很高，耐压800V以上的导通电压高得惊人，导通损耗占MOSFET总损耗的2/3-4/5，使应用受到极大限制。
降低功率器件Ron的三种方法
第一种是在满足关态Bv的条件下通过扩展的栅电极使器件开态时漂移区形成载流子积累层以提供低阻导通通道（扩展栅电极）
第二种是通过在器件的不同维度上引入新的电场来调制漂移区的浓度或通过对已有维度上的场进一步优化以提高调制效应（coolmos，resurf）
第三种是增加有效面积，使得载流子有效积累的更多，从而使导通电阻降低（折叠栅）
折叠si表面LDMOS结构以及其降低Ron原理。
