11JIANGSUUNIVERSITY基于硅單晶與寬禁帶材料電力電子器件性能對比及最新發(fā)展動態(tài)的專題報告學(xué)院名稱：電氣信息工程學(xué)院專業(yè)班級：學(xué)生姓名：學(xué)生學(xué)號 :2016.11.1一．硅單晶材料的電力電子器件性能對比硅單晶材料單晶硅主要用于制作半導(dǎo)體元件， 是制造半導(dǎo)體硅器件的原料， 用于制大功率整流器、 大功率晶體管、二極管、開關(guān)器件等。 熔融的單質(zhì)硅在凝固時硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核， 如果這些晶核長成晶面取向相同的晶粒， 則這些晶粒平行結(jié)合起來便結(jié)晶成單晶硅。 單晶硅的制法通常是先制得多晶硅或無定形硅， 然后用直拉法或懸浮區(qū)熔法從熔體中生長出棒狀單晶硅。 單晶硅棒是生產(chǎn)單晶硅片的原材料，隨著國內(nèi)和國際市場對單晶硅片需求量的快速增加，單晶硅棒的市場需求也呈快速增長的趨勢。自晶閘管和功率晶體管問世和應(yīng)用以來， 硅基半導(dǎo)體器件在功率處理能力和開關(guān)頻率方面不斷改善，先后誕生了 GTR、GTO、MOSFET和IGBT等現(xiàn)代電力電子器件，對電力電子系統(tǒng)縮小體積、降低成本起到了極其關(guān)鍵的作用 [1]。各器件性能對比大功率晶體管（ GTR）GTR是一種電流控制的雙極雙結(jié)電力電子器件，產(chǎn)生于本世紀(jì) 70年代，其額定值已達1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具備晶體管的固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所組成的電路靈活、成熟、開關(guān)損耗小、開關(guān)時間短，在電源、電機控制、通用逆變器等中等容量、中等頻率的電路中應(yīng)用廣泛。 GTR的缺點是驅(qū)動電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞。在開關(guān)電源和 UPS內(nèi)，GTR正逐步被功率 MOSFET和IGBT所代替。門極可關(guān)斷晶閘管（ GTO）1964年，美國第一次試制成功了 500V/10A的GTO。在此后的近 10年內(nèi)，GTO的容量一直停留在較小水平，只在汽車點火裝置和電視機行掃描電路中進行試用。自 70年代中期開始， GTO的研制取得突破，相繼出世了 1300V/600A、2500V/1000A、4500V/2400A的產(chǎn)品，目前已達 9kV/25kA/800Hz及6Hz/6kA/1kHz的水平。 GTO有對稱、非對稱和逆導(dǎo)三種類型。與對稱 GTO相比，非對稱 GTO通態(tài)壓降小、抗浪涌電流能力強、易于提高耐壓能力 （3000Ｖ以上 ）。逆導(dǎo)型 GTO是在同一芯片上將 GTO與整流二極管反并聯(lián)制成的集成器件，不能承受反向電壓，主要用于中等容量的牽引驅(qū)動中。功率 MOSFET功率 MOSFET是一種電壓控制型單極晶體管，它是通過柵極電壓來控制漏極電流的，因而它的一個顯著特點是驅(qū)動電路簡單、驅(qū)動功率?。粌H由多數(shù)載流子導(dǎo)電，無少子存儲效應(yīng)，高頻特性好，工作頻率高達 100kHz以上，為所有電力電子器件中頻率之最，因而最適合應(yīng)用于開關(guān)電源、高頻感應(yīng)加熱等高頻場合；沒有二次擊穿問題，安全工作區(qū)廣，耐破壞性強。功率 MOSFET的缺點是電流容量小、耐壓低、通態(tài)壓降大， 不適宜運用于大功率裝置。 目前制造水平大概是 1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。絕緣門極雙極型晶體管（ IGBT）IGBT是由美國 GE公司和RCA公司于1983年首先研制的， 當(dāng)時容量僅 500V/20A，且存在一些技術(shù)問題。經(jīng)過幾年改進， IGBT于1986年開始正式生產(chǎn)并逐漸系列化。至 90年代初， IGBT已開發(fā)完成第二代產(chǎn)品。目前，第三代智能 IGBT已經(jīng)出現(xiàn)，科學(xué)家們正著手研究第四代溝槽柵結(jié)構(gòu)的 IGBT。IGBT可視為雙極型大功率晶體管與功率場效應(yīng)晶體管的復(fù)合。通過施加正向門極電壓形成溝道、提供晶體管基極電流使 IGBT導(dǎo)通；反之，若提供反向門極電壓則可消除溝道、使 IGBT因流過反向門極電流而關(guān)斷。 IGBT集GTR通態(tài)壓降小、 載流密度大、 耐壓高和功率 MOSFET驅(qū)動功率小、 開關(guān)速度快、輸入阻抗高、 熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點于一身， 因此備受人們青睞。 它的研制成功為提高電力電子裝置的性能，特別是為逆變器的小型化、高效化、低噪化提供了有利條件。比較而言， IGBT的開關(guān)速度低于功率 MOSFET，卻明顯高于 GTR；IGBT的通態(tài)壓降同 GTR相近，但比功率 MOSFET低得多； IGBT的電流、電壓等級與 GTR接近，而比功率 MOSFET高。目前，其研制水平已達 4500V/1000A。由于IGBT具有上述特點， 在中等功率容量 （600V以上 ）的UPS、開關(guān)電源及交流電機控制用 PWM逆變器中， IGBT已逐步替代 GTR成為核心元件。另外， IR公司已設(shè)計出開關(guān)頻率高達 150kHz的WARP系列400～600VIGBT，其開關(guān)特性與功率 MOSFET接近，而導(dǎo)通損耗卻比功率 MOSFET低得多。該系列 IGBT有望在高頻 150kHz整流器中取代功率 MOSFET，并大大降低開關(guān)損耗。 IGBT的發(fā)展方向是提高耐壓能力和開關(guān)頻率、降低損耗以及開發(fā)具有集成保護功能的智能產(chǎn)品[2]。二．寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力電子器件性能對比2.1寬禁帶半導(dǎo)體材料寬禁帶半導(dǎo)體材料 （Eg大于或等于 3.2ev）被稱為第三代半導(dǎo)體材料。 主要包括金剛石、 SiC、GaN等。和第一代、第二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大，電子漂移飽和速度高、介電常數(shù)小、 導(dǎo)電性能好的特點， 其本身具有的優(yōu)越性質(zhì)及其在微波功率器件領(lǐng)域應(yīng)用中潛在的巨大前景，非常適用于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件?；谛滦蛯捊麕О雽?dǎo)體材料的電力電子器件具有更優(yōu)越的性能， 成為功率器件的研究熱點。 目前寬禁帶半導(dǎo)體器件中碳化硅（ SiC）和氮化鎵（ GaN）電力電子器件已有商業(yè)化產(chǎn)品，并在某些領(lǐng)域得到應(yīng)用。2.2SiC2.2.1SiC整流器件SiC功率二極管有三種類型：肖特基二極管（ SchottkyBarrierDiode，SBD）、PiN二極管和結(jié)勢壘肖特基二極管（ JunctionBarrierSchottky， JBS）。肖特基二極管開關(guān)速度快、導(dǎo)通壓降低，但阻斷電壓偏低、漏電流較大； PiN二極管阻斷電壓高、漏電流小，但工作過程中反向恢復(fù)嚴(yán)重， JBS二極管結(jié)合了肖特基二極管所擁有的出色的開關(guān)特性和 PiN結(jié)二極管所擁有的低漏電流的特點。 把JBS二極管結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造工藝稍作調(diào)整就可以形成混合 PiN-肖特基結(jié)二極管（ MergedPiNSchottky，MPS）。2.2.2SiC單極型器件（1）SiCMOSFET。功率MOSFET具有理想的柵極絕緣特性、高速的開關(guān)性能、低導(dǎo)通電阻和高穩(wěn)定性。在 Si基器件中，功率 MOSFET獲得巨大成功。同樣， SiCMOSFET也是最受矚目的 SiC功率器件。SiCJFET。SiCJFET是碳化硅結(jié)型場效應(yīng)管，具有導(dǎo)通電阻低、開關(guān)速度快、耐高溫及熱穩(wěn)定性高等優(yōu)點，具有常開和常閉兩種類型。常開型 SiCJFET在沒有驅(qū)動信號時處于導(dǎo)通狀態(tài)，容易造成橋臂的直通危險，降低了功率電路的安全可靠性。對此， Semisouth公司推出了常閉型 SiCJFET，但這種器件的柵極開啟電壓閾值太低（典型值為 1V），在實際應(yīng)用中容易產(chǎn)生誤導(dǎo)通現(xiàn)象 [3]。2.2.3SiC雙極型器件SiCBJT。與傳統(tǒng) SiBJT相比，SiCBJT具有更高的電流增益、更快的開關(guān)速度及較小的溫度依賴性，不存在二次擊穿問題， 并且具有良好的短路能力， 是SiC可控開關(guān)器件中很有應(yīng)用潛力的器件之一。SiCIGBT。SiCMOSFET的通態(tài)電阻隨著阻斷電壓的上升而迅速增加。 在高壓領(lǐng)域， SiCIGBT將具有明顯的優(yōu)勢。在結(jié)溫為 300K時，在芯片功耗密度為 200W/cm以下的條件下， MOSFET可以獲得更大的電流密度， 而在更高的功耗密度條件下， IGBT可以獲得更大的電流密度。 但是在結(jié)溫為 400K時，IGBT在功耗密度為 50W/cm2以上的條件下就能夠?qū)ū?MOSFET更高的電流密度。SiCGTO。在大功率開關(guān)應(yīng)用中， 晶閘管以其耐壓高、 通態(tài)壓降小及通態(tài)功耗低而具有較大優(yōu)勢。對碳化硅晶閘管的研究主要集中在 GTO上[4]。2.3GaN寬禁帶半導(dǎo)體材料 GaN具有禁帶寬度大、飽和電子漂移速度高、臨界擊穿電場大和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點。因此基于 GaN材料制造的電力電子器件具有通態(tài)電阻小、開關(guān)速度快、高耐壓及耐高溫性能好等特點。 與SiC材料不同， GaN除了可以利用 GaN材料制作器件外， 還可以利用 GaN所特有的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)制作高性能器件。GaN整流管GaN功率二極管包括兩種類型： GaN肖特基二極管（ SchottkyBarrierDiode，SBD）和PN二極管。GaN肖特基二極管主要有三種結(jié)構(gòu)： 橫向結(jié)構(gòu)、 垂直結(jié)構(gòu)和臺面結(jié)構(gòu) [5]。橫向結(jié)構(gòu)利用 AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)， 在不摻雜的情況下就可以產(chǎn)生電流， 但橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)增加了器件的面積以及成本， 并且器件的正向電流密度普遍偏小。 垂直結(jié)構(gòu)是一般電力電子器件主要采用的結(jié)構(gòu)， 可以產(chǎn)生較大的電流， 有很多研究機構(gòu)利用從厚的外延片上剝離下來厚的 GaN獨立薄片做縱向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)的肖特基二極管，但是這樣的外延片缺陷密度高，制造出來的器件雖然電流較大，但是反向漏電也非常大，導(dǎo)致?lián)舸╇妷号cGaN應(yīng)達到的水平相距甚遠(yuǎn)，因此，對于垂直結(jié)構(gòu) GaN肖特基二極管的研究主要還是停留在仿真以及改善材料特性階段。 臺面結(jié)構(gòu)， 也稱為準(zhǔn)垂直結(jié)構(gòu)一般是在藍寶石或者 SiC襯底上外延生長不同摻雜的GaN層，低摻雜的 n層可以提高器件的擊穿電壓，而高摻雜的 n層是為了形成良好的歐姆接觸，這種結(jié)構(gòu)結(jié)合了橫向和縱向結(jié)構(gòu)的優(yōu)點， 同時也存在橫向和垂直結(jié)構(gòu)的缺點， 它最大的優(yōu)勢在于可以與傳統(tǒng)的工藝兼容，并且可以將尺寸做得比較大。GaN高電子遷移率晶體管在GaN所形成的異質(zhì)結(jié)中，極化電場顯著調(diào)制了能帶和電荷的分布。即使整個異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)沒有摻雜，也能夠在 GaN界面形成密度高達 1×1013～ 2×1013cm2，且具有高遷移率的二維電子氣 （2DEG）。2DEG溝道比體電子溝道更有利于獲得強大的電流驅(qū)動能力， 因此GaN晶體管以 GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)管（HEMT）為主，該器件結(jié)構(gòu)又稱為高電子遷移率晶體管（ HEMT）。GaNMOSFET在高壓功率開關(guān)場合， 橫向GaNMOSFET表現(xiàn)出常斷和大的導(dǎo)帶偏移等優(yōu)點， 使得它們不易受到熱電子注入和其他可靠性問題如表面狀態(tài)和電流崩潰的影響， 成為替代 SiCMOSFET和GaNHEMT的較好選擇。隨著 GaN器件研究的持續(xù)升溫，采用雙極型結(jié)概念的雙向異質(zhì)結(jié) GaN場效應(yīng)管已問世 [6]。該GaN場效應(yīng)管中的肖特基和 p-n結(jié)柵極結(jié)構(gòu)排列在藍寶石絕緣基底上， 器件間的隔離電壓大于 2kV，正向?qū)娮韬头聪驅(qū)娮璺謩e是 24Ω·mm和 22Ω·mm。三．電力電子器件發(fā)展動態(tài)硅材料市場前景廣闊，中國硅單晶的產(chǎn)量、銷售收入近幾年遞增較快，以中小尺寸為主的硅片生產(chǎn)已成為國際公認(rèn)的事實， 為世界和中國集成電路、 半導(dǎo)體分立器件和光伏太陽能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了較大的貢獻。從高技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域到傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，特別是一些重大工程如三峽、特高壓、高鐵、西氣東輸?shù)?，乃至照明和家電等?硅半導(dǎo)體器件都起到了至關(guān)重要的作用。 由此可見，硅電力電子器件待開發(fā)的應(yīng)用空間仍舊十分廣闊， 市場前景仍較好。但是， 硅電力電子器件本身的技術(shù)、制造工藝發(fā)展空間已經(jīng)不太大了，硅基電力電子器件的水平已基本上穩(wěn)定在 109～ 1010W·Hz左右，逼近了由于寄生二極管制約所能達到的 Si材料極限。而 SiC和GaN寬禁帶電力電子器件則由于其突出的優(yōu)勢，代表著電力電子器件領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。 因為寬禁帶器件的使用還不夠成熟， 且在價格上寬禁帶器件并沒有優(yōu)勢，而且考慮到安全性、 市場使用慣性， 完全接受寬禁帶器件還需要一定的時間。 預(yù)計在未來至少十年內(nèi)，Si器件仍然會主導(dǎo)功率電子市場。參考文獻：錢照明， 張軍明，盛況．電力電子器件及其應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展 [J]．中國電機工程報， 2014,， 34(29)：5149-5151．王兆安，劉進軍 .電力電子技術(shù) [M].北京：機械工業(yè)