1、第一章 电力电子半导体器件1234 电力电子器件发展概述 功率MOSFET 绝缘栅双极型晶体管基本内容 集成门极换向晶闸管的结构与工作原理5 电力电子器件新材料6 电力电子集成技术1.1 电力电子器件发展概述 自从1957年底第一代晶闸管SCR面世以来，电力电子半导体器件发展迅猛。直到1970年，普通晶闸管开始在工业应用中大量用于电力控制。1970年后，各种类型的电力电子半导体器件相继出现并逐步商业化。其中，碳化硅器件正在迅速发展中，而绝大部分实际工业应用的器件都是用硅材料制作的。这些器件大致可以分为三类：功率二极管，晶闸管，和晶体管1。随着电力电子器件的应用范围扩大和应用场合要求的提升，对器
2、件的发展要求也越来越提高，包括更高的功率容量，更低的开关损耗，更高的开关频率，更紧凑的封装体积，集成以及模块化设计。大多在电力电子器件上应用的新技术都是围绕这几点发展方向来展开的。1.1 电力电子器件发展概述电力电子半导体器件应用功率等级分布电力电子半导体器件应用功率等级分布 电力电子半导体器件应用频率分布电力电子半导体器件应用频率分布 常规应用的晶闸管大致有以下几类：强迫换流晶闸管，门关断晶闸管，反相导通晶闸管（RCT），静态导通晶闸管(SITH)，光触发硅控整流器(LASCR)，MOS关断（MTO）晶闸管，集成门极换流晶闸管（IGCT）和对称门极换流晶闸管（SGCT）。晶闸管的发展方向同样
3、是增加单管的功率容量，同时增加对器件开关的控制度，这一点在IGCT和SGCT以及光触发晶闸管的大量使用中可以很明显的体现。IGCT和SGCT是将GTO芯片和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管和晶闸管两种器件的优点。传统GTO器件很难关断，必须在门极加一个约为器件额定电流1/3的驱动电流，并在1内将阴极所有的电流抽出，才能确保其快速关断。而IGCT关断则是一个很快的瞬态过程，器件完全按晶体管模式关断，从而保证了完全受控的均匀关断，广泛应用于大功率电流型变流器以及变频器上。1.1.2 晶闸管 电力晶体管有四种类型：BJT，电力MOSFET，IGBT和SIT
4、。其中IGBT和电力MOSFET是最为广泛应用的电力电子器件，大到直流输电，小到生活中的各种家用电器，到处都可以见到这两种器件的身影。由于这两种器件主要应用于中等功率场合，相对于功率容量的提升，各家器件公司主要将发展和竞争重点放在损耗的降低上，纷纷推出新一代的IGBT和MOSFET器件，其中较为典型的技术优化为沟槽型门极结构和垂直导电技术的广泛应用，IGBT方面还有场终止技术、空穴阻抗技术等，功率MOSFET方面的典型代表则为“超级结”技术。新的半导体材料在这两种器件上的应用则基本停留在实验室阶段。1.1.3 电力晶体管 功率MOSFET出现在70年代的晚期，它的出现主要来源于70年代中期MO
5、S技术的发展，不同于传统的双极性开关管（BJT），MOSFET属于场效应管器件，是一种单极性电压控制型器件。在导通状态下，仅有多数载流子工作，所以与电流控制型器件相比，所需的驱动功率非常小，并且多数载流子导电的功率MOSFET显著减少了开关时间，因而很容易达到100KHZ以上的开关频率，功率MOSFET是低压（200V）范围内最好的开关器件，但在高压应用方面，其最大的特点是导通电阻随耐压的2.5次方急剧上升，给高压功率MOSFET的应用带来很大困难。所以对于MOSFET的技术优化基本都从这一点出发。1.2 功率MOSFET 沟槽技术最早见于功率放大器和电能转换装置的功率MOSFET，其在传统的
6、MOS器件基础上做出了三项重大改革：1.垂直的安装漏极，实现了垂直导电，将在传统MOS结构中与源极和栅极同时水平安装在硅片顶部的漏极改装在硅片的底面上，这样充分利用了硅片面积，基本上实现了垂直传导漏源电流，消除了导通电阻中的JFET区阻抗部分，减小了RCH部分,为获得大电流容量提供了前提条件。2.模仿GTR设置了高电阻率的n-型漂移区，不仅提高了器件的耐压容量，而且降低了结电容，并使沟道长度稳定。3.采用双重扩散技术代替光刻工艺控制沟道长度，可以实现精确的短沟道，降低沟道电阻值，提高工作速度，并使输出特性具有良好的线性。1.2.1 沟槽型MOSFET 可以看出，一方面沟槽门极元胞结构对于降低导
7、通电阻Ron中的JFET区阻抗和沟槽阻抗部分十分有效，另一方面，MOSFET的承受电压的增加需要厚的n层，而这会导致导通电阻中的Rd部分增加，而高电阻率的n-型漂移区可以减少实际需要的n层宽度。通态导通电阻Ron可表示为：RON=RCS+RN+RCH+RA+RJ+RD+RN+RCD 式中，RCS为源极阻抗；RCH为沟槽阻抗；RJ为JFET区阻抗；RN+为N+衬底阻抗；RA为缓冲区阻抗；RD为N-漂移区阻抗；RCD为漏极阻抗。1.2.1 沟槽型MOSFET沟槽型沟槽型MOSFET的剖面结构及其电阻分布示意的剖面结构及其电阻分布示意 正如上面所说，在功率半导体器件发展的历史上最重要的问题就是寻求如
8、何通过新的器件结构和半导体材料来改善耐受电压和导通压降之间的矛盾。功率MOSFET作为单极型器件，需要在耐受电压和导通电阻之间做一个综合考虑，同时在不降低器件性能的前提下减少器件尺寸。近年来，一种被称为“超级结”结构的三维结构概念被用于MOSFET制造应用，并且在改善导通电阻和耐受电压矛盾方面获得了显著的效果。这种结构来源于电子科技大学陈星弼院士的中美发明专利5，其主要思想是通过尽量提高功率器件漂移区浓度，即通过在器件不同维度上引入新的电场来达到对漂移区载流子的有效中和以获得一定的击穿电压。1.2.2“超级结”结构“超级结超级结”结构原理结构原理图图 1.2.2“超级结”结构 “超级结”结构的
9、主要特点是用N区与P区相互交替的形式代替了传统上必须承担击穿电压的N-漂移区，而这种区域的交替是在水平方向的电场其作用，所以并不影响垂直方向的电场。其剖面结构如图b所示，当“超级结结构”的MOSFET处于阻断状态时，由N-漂移区和柱状P型区形成的PN结边缘的空间电荷区不断扩散，最终导致整个漂移区被完全耗尽，电势分布从源端到漏端线性增加，电场分布趋于理想的均匀分布。这样阻断电压不仅建立起了纵向电场，而且同样建立起了横向电场，即实现更高的阻断电压，而不需要降低漂移区的掺杂浓度，只需要增加N-漂移区的厚度和P区的厚度，满足了击穿电压的要求，因此“超级结”结构的MOSFET通态电阻与阻断电压之间接近线
10、性关系。当“超级结”结构的MOSFET处于导通状态时，如图d所示，电子从源极出发然后经过N-漂移区到达漏极。由于N-漂移区具有较高的掺杂浓度，所以导通电阻大大减少。1.2.2“超级结”结构 理想的“超级结”结构特性很好，但工艺上实现还比较困难，必须通过多次外延或刻蚀加离子注入的方法来实现，为了规避这些技术难题，又提出一些新的方案。例如将“超级结”结构与垂直导电双扩散MOS结构（VDMOS）结合的“半超级结”结构，这实际上是通过MOS系统来代替PN结提供额外电场的类“超级结”结构，即用蚀刻氧化形成一定厚度的边氧并用多晶硅或高浓度的N+或P+提供电极，从而和“超级结”一样能够提供新的电场来进行补偿
11、，这种工艺相对来说简单一些。这些新的方案原理基本都与“超级结”结构类似，是在性能和工艺难度上的折中选择。1.2.3“超级结”结构 COOLMOS为英飞凌公司注册推出的采用“超级结”结构的新一代MOSFET，已广泛应用于各种中小功率电力电子装置中8，COOLMOS相对于传统MOSFET所体现的优势在于：1.导通电阻的降低 英飞凌公司推出的COOLMOS，耐压为600V和800V的器件与传统MOSFET相比，相同的管芯面积条件下，导通电阻分别下降为传统MOSFET的1/5和1/10；相同的额定电流条件下，导通电阻分别下降为传统MOSFET的1/21/3.导通电阻的降低是COOLMOS相对于传统MO
12、SFET的最大好处，也是英飞凌公司将其命名为COOLMOS的主要原因。2.封装的减小 相同额定电流的COOLMOS的管芯减小为传统MOSFET的1/31/4，所以COOLMOS的封装也可以大大减小。1.2.3 COOLMOS 不过，由于“超级结”结构在电荷均衡的工艺上有一定的难度，所以制造阻断电压1000V以上的COOLMOS具有较大的困难。此外，COOLMOS的内部寄生反向二极管的反向恢复特性和电导率难以达到传统MOSFET的技术指标，所以COOLMOS一般不适用于中大功率变流器装置。1.2.3 COOLMOS1.3 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管(Insolated Gate Bip
13、olar Transistor-IGBT),是上世纪80年代初为解决MOSFET的高导通电压、难以制成兼有高电压和大电流特性和GTR的工作频率低、驱动电路功率大等不足而出现的双机理复合器件。由于它将MOSFET和GTR的优点集于一身，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好，且驱动电路简单、驱动电流小等优点，又具有通态压降小、耐压高及承受电流大等优点，因此发展很快。从结构图可以看出，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR,其简化等效电路如图1-6所示。图图1-6 IGBT1-6 IGBT的简化等效图的简化等效图1.3 绝缘栅双极型晶体管1.3.1 应用于IGBT的新器件制造技术1.3.
14、2 穿通型IGBT1.3.3 非穿通型IGBT1.3.4场终止型IGBT1.3.5 其他新型IGBT1.3 绝缘栅双极型晶体管1.3.1 应用于IGBT的新器件制造技术 早期的IGBT，已经获得了比功率MOSFET低的通态压降和比双极性器件更高的工作频率，但是通态损耗相对双极性器件仍然相对较大，SOA范围较小，成本较高，且具有负温度系数，不利于并联使用 1 透明集电极技术 透明集电极技术应用于集电极区（下层），把IGBT的集电极的空穴注入效率降低到0.5以下，使通过集电极的的总电流中电子流起主要作用，一般达到70%以上。在IGBT关断时，n-区存储的过剩电子能透过集电区迅速流出，实现快速关断。
15、2 电场终止技术 电场终止技术（field stop）FS技术应用于n-层（中层），其核心是在n-层与p型集电区之间加入一个比n-区宽度小而掺杂浓度高的n+缓冲层，使得电场强度在该层中迅速减少到零，同时提高n-区的电阻率，从而可以较薄的耐压层实现相同的击穿电压。1.3.1 应用于IGBT的新器件制造技术 3 上层结构新技术 1.沟槽栅技术：该技术和MOSFET的沟槽门极技术概念完全一致，都是利用挖槽的概念，在IGBT的栅氧化层和栅电极做在沟槽的侧壁上，形成垂直沟道。2.近表层载流子浓度增高技术：一般IGBT中，从p型集电区注入到n-层的空穴向上的电荷运动过程中浓度是逐渐降低的，所以n-层中越接
16、近p型集电区的部分电导调制作用越弱，通态电阻就越大。所谓近表层载流子浓度增高技术就是利用各种方法尽最大可能来提高这一区域的电子空穴对浓度，来增强电导调制效应，减少通态电阻。1.3.1 应用于IGBT的新器件制造技术1.3.2 穿通型IGBT PT型IGBT在其内部有一个强发射极，使器件在通态时可以获得大量的少数载流子。IGBT在阻断状态下，电场的分布呈不规则四边形，对于一定的耐压，n-层可以设计得很薄，但由于其硅片较厚，制造工艺复杂，价格比NPT型IGBT高。其唯一优点是通态压降较小。1.3.3 非穿通型IGBT其最大的特点就是采用了透明集电极的技术.集电极电流中大部分为电子电流，而不是空穴电
17、流，其工作机理以电导调制MOSFET 为主。1.3.4 场终止型IGBT 场终止型IGBT采用了电场终止技术，主要针对NPT型IGBT宽 n-基区的缺点来进行优化的，图1-10为场终止型IGBT的结构。总结PT型IGBTNPT型IGBT场终止型IGBTp-发射极强发射极弱发射极弱发射极n-基区薄厚薄附加n区高掺杂的n区，用来减弱发射极，终止电场无弱掺杂的n区，用于终止电场电流拖尾大小小1.3.5 其他新型IGBT 透明集电区沟槽栅场终止型IGBT（Trench，FS型IGBT）集合了沟槽技术、FS 技术和透明集电区技术，具有极低的功率损耗；注入增强栅晶体管（Injection Enhanced
18、 Gate Transistor，简称IEGT）采用了加宽pnp管间距的近表面层注入载流子浓度增强技术，集合了表面层注入载流子增强技术与Trench技术、FS技术、透明集电区技术；高电导率IGBT（High-Conductivity IGBT，简称HiGT）有很多不同结构。它在非透明集电区PT-IGBT的基础上，采用空穴阻挡层技术使总功耗显著降低 1.4 集成门极换向晶闸（集成门极换向晶闸（IGCT）的结构与工作原理）的结构与工作原理 IGCT是在门极关断晶闸管的基础上改良得到的器件，它把集成门极换向电路和门极换向晶闸管（GCT）组合在一起，实际上是一种关断增益为1的GTO，具有高耐压、低通态
19、压降、缓冲和驱动电路简单的优点，可以稳定的工作在高压大功率的场合，是大功率开关器件的换代产品。1.4.1 IGCT的结构和特点IGCT的关键思想是将改进结构的GTO和极低电感的门极驱动器结合起来，除了门极驱动单元外，IGCT由单个GCT组成。门极驱动器与GCT之间有一定的距离，以满足不同形式的构件要求.IGCT主要分为非对称型、反向阻断型和逆导型三种类型。除了门极驱动单元外，非对称IGCT由单个GCT组成的；反向阻断型IGCT是为电流型优化设计的具有反向阻断能力的IGCT器件，也称为SGCT；逆导型IGCT是由反并联续流二极管和GCT集成的。a)GTO b)GCT 1.4.1 IGCT的结构和
20、特点1.4.2 IGCT工作原理 IGCT工作原理主要取决于GCT的工作过程。总体说来，GCT的开通机理和GTO完全一样，但关断过程有很大的差别，其等效原理图如图1-14所示。当GCT工作在导通状态时，是一个晶闸管一样的正反馈开关，携带电流能力强而且通态压降低，导通机理与GTO完全一致。当器件需要关断时，门极P沟道MOSFET先导通，部分主电流从阴极向门极换相，然后阴极N沟道MOSFET关断，使主电流完全通过门极流出，此过程转换时间约为1us，在关断状态下，GCT门极和在IGCT关断过程中，GCT的门极和阴极之间的PN结提前进入反向偏置，并有效的退出工作，使整个器件成为一个无接触基区的晶体管，
21、如晶体管一样均匀关断。与GTO完全不同，它没有载流子收索效应。1.4.2 IGCT工作原理GCT的开通和关断示意图如图1-15所示，GCT关断时的电压、电流波形如图1-16所示。图图1-15 GCT1-15 GCT的开通和关断示意图的开通和关断示意图图图1-16 IGCT1-16 IGCT无吸收电路的关断波形无吸收电路的关断波形1.4.2 IGCT工作原理1.5 电力电子器件新材料电力半导体技术主要从两方面进行研究：传统器件结构的不断优化与改进 宽禁带半导体材料的应用 其中最有意义的是碳化硅、氮化镓和氧化锌，这些材料的共同特点是它们的禁带宽度在3.3到3.5电子伏之间,是硅的3倍,比砷化镓的禁
22、带宽度也大了两倍以上，因而它们一般具有高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,因而更适合于制作高温、高频及大功率器件。1.5.1 碳化硅材料和碳化硅电力电子器件 碳化硅作为典型的宽禁带半导体之一，被人称成为第三代半导体，尤其在制造电力电子器件方面具有广阔的应用前景。用碳化硅做成的器件，其最高工作温度有可能超过600摄氏度；碳化硅的击穿电场强度是硅的8倍，其电子饱和漂移速度是硅的2倍，这更有利于提高器件的工作频率，因而碳化硅器件的工作频率可达硅器件的10倍以上；此外，碳化硅还是本世纪初唯一可以用热氧化法生成高品质本体氧化物的化合物半导体，这使其也可以像硅一样用来制造MOSF
23、ET和IGBT这样含有MOS结构的器件。碳化硅材料已被证明是电力电子器件的未来重要发展方向。碳化硅肖特基势垒二极管的研发水平已达到高压器件阻断电压超过20kV，大电流器件通态电流130A、阻断电压高达5kV的水平，并且在所有碳化硅器件中率先实现实用化，并投放市场。碳化硅肖特基二极管结构示意图1.5.1 碳化硅材料和碳化硅电力电子器件 碳化硅功率MOSFET是研究最深入的场效应器件，在结构上与硅材料功率MOSFET没有太大区别,其优势在于够兼顾阻断电压和通态电阻。碳化硅MOSFET结构示意图1.5.1 碳化硅材料和碳化硅电力电子器件 碳化硅MESFET由于没有SiC-SiO2界面，其沟道载流子的
24、等效迁移率较高，因而将碳化硅MESFET作为微波器件来开发。碳化硅碳化硅MESFETMESFET结构示意图结构示意图1.5.1 碳化硅材料和碳化硅电力电子器件 结型场效应晶体管（JFET）因为不需要制作栅氧化层而受到碳化硅场效应器件开发者们的重视。近些年，SiC型JFET的研发水平达到2000V左右。碳化硅碳化硅JFETJFET结构示意图结构示意图1.5.1 碳化硅材料和碳化硅电力电子器件 碳化硅IGBT的优越性只在阻断电压高于10000伏情况下才能突显出来。近年来，关于碳化硅高压IGBT的研发工作已有较大进展。所遇到的主要困难是：p沟道IGBT的源电极接触电阻偏高,n沟道IGBT需要用p型碳
25、化硅材料作衬底，而p+碳化硅衬底能做到的最低电阻却比MOSFET的电阻总值还高。因此，碳化硅IGBT研发工作的实质性进展，还有待于材料和工艺技术的进一步改善。由于碳化硅在晶体生长过程中形成微管缺陷的问题至今尚未很好解决，制造大电流碳化硅分立器件所需要的大尺寸晶片还难以得到。因此，功率模块成为人们为满足大电流应用的需要而关注的对象。1.5.1 碳化硅材料和碳化硅电力电子器件1.5.2砷化镓器件 砷化镓是继硅之后最成熟的半导体材料，已经制造出直径超过75mm的高质量单晶。作为一种用于电子器件制造的初始材料，砷化镓的典型价格比硅大约贵7倍。与硅相比，其器件制造所需的操作更复杂，所以比较昂贵。在砷化镓
26、中，所有的受主杂质都有很高的扩散系数，这使pn结在本质上就不稳定，也使我们不能采用多次扩散的工艺，因此，砷化镓器件通常是做成单极的，而不是双极的。与相应的硅器件相比，尽管一些砷化镓器件需要的芯片面积较小，但材料可能仍然较贵，因此要想使用这种材料获得好处时，其性能的重要方面要明显优于可供比较的硅器件。1.5.3金刚石电力电子器件 作为制造功率器件而言，金刚石最重要的特征就是高热导率，这使热量能有效的从产生功耗的区域传导出来金刚石带隙宽达5eV，所以允许它在650高温环境下工作，其击穿电场虽然只是碳化硅的2倍，但却是硅的很多倍，更适用于高压器件。对于电力电子器件的材料优选而言，金刚石的几乎所有优选
27、因子都是最高的，因此尽管其材料制备比较困难，但还是吸引了不少人去开发截止频率极高的金刚石开关器件。由于金刚石的晶格常数较小，C-C结合的能量又很高，所以其有效掺杂是个很大的难点。虽然早在20世纪80年代就开始对金刚石器件研究了，但金刚石开关器件比较单一，主要是SBD和MOSFET。1.6 电力电子集成技术 早期的思路是单片集成，即将主电路、驱动、保护和控制电路等全部制造在同一个硅片上。由于大功率的主电路元件和其它控制电路元件的制造工艺差别较大,还有高压隔离和传热的问题,故电力电子领域单片集成难度很大,而在中大功率范围内,只能采用混合集成的办法,将多个不同工艺的器件裸片封装在一个模块内,现在广泛
28、使用的功率模块和IPM模块都体现了这种思想。电力电子集成技术目标是通过高密度混合集成和多层互连,将电力电子系统中主电路、传感、驱动、保护、控制、通信接口等全部电路和部分乃至全部无源器件都集成到一起,形成具有通用性的标准化电力电子集成模块用以构成各种不同的应用系统1.6.1 集成技术的不同层次和形式 1 单片集成 所谓单片集成就是把一套电力电子电路中的功率器件、驱动、控制和保护电路集成在同一片硅片上，但是实际应用中的电力电子系统电路通常是强电和弱电的结合，当控制电路和功率电路功率等级相差过大时，在同一片硅片上是基本无法解决电路隔离，电磁兼容，电路保护，热设计等一系列的问题，所以单片集成的思想仅体
29、现在一些很小功率的电力电子系统上。2 混合集成 混合集成主要指采用封装的技术手段,将分别包含功率器件、驱动、保护和控制电路的多个硅片封入同一模块中,形成具有部分或完整功能且相对独立的单元。在某种意义上,混合集成在集成化程度上是根据当前技术水平所采取的一种折中方案,具有较强的现实意义,是电力电子集成技术应用的主流方式。1.6.1 集成技术的不同层次和形式 3 系统集成 系统集成将已有的功能主体经过有机地组合及拼装,形成一个完整的系统,应用在某特定领域。在电力电子技术领域,系统集成一般指将多个电路或装置有机地组合成具有完整功能的电力电子系统,小到手机的充电器，大到风力发电变流系统等，都是这种概念的
30、体现。但是这种集成是功能集成,与工程技术领域普遍采用的集成方案并无实质性的区别,集成度低,与独立的装置和电路相比,无法明显降低体积和重量,需要大量的设计工作,不能明显体现集成优势。1.6.1 集成技术的不同层次和形式1.6.2 电力电子集成发展面临的问题1 电力电子系统模块的标准化 这部分技术主要涉及适用于集成模块内的具有通用性标准化的主电路、控制电路、驱动电路、保护电路、电源电路及磁性元件技术。为了实现这一目标，首先就是要确定标准模块的电路结构，通常优选的标准包括：损耗，效率，运行特性以及对不同电磁环境的适应性。在控制模块方面，也需要设计一个高度集成化的控制系统，使其能够完成对各种常规运行方
31、式，包括PWM产生，信号反馈，A/D采样等控制组件的集成。最后要在电路模块和控制模块之间建立一套适合的通讯总线和能量传输母线结构，从而能够真正实现自由，可靠，灵活的电力电子集成技术。2 电力电子集成模块的封装技术 集成模块的封装技术主要是为了使模块具备更大的承载能力，更高的功率密度和更高效的散热能力，另一方面，对封装技术的研究是研究与之相关的各类问题的基础与平台。各种电路的优化设计，电磁兼容，寄生参数的研究都要基于封装模式进行研究。现在广泛使用的是铝丝键合技术,优点是工艺简单,成本低;缺点是:键合点面积小,传热差,芯片表面温度分布不均匀,局部易热集中;寄生电感大,造成开关过电压;各铝丝之间电流分布不均匀,局部电流集中;电磁力造成铝丝震动,导致键合点脱落等。因铝丝键合存在诸多问题,所以现在的研究热点是多芯片模块技术(Multi Chip ModuleMCM)。1.6.2 电力电子集成发展面临的问题3 应用系统设计 这部分的研究主要基于标准化集成模块的应用系统设计。内容涉及根据应用选取适当的模块,解决多模块构成的系统运行稳定性问题及进行系统的优化设计。因尚未形成模块的标准化系列,这一领域的研究主要是试图建立由模块构成的示范系统,以证明电力电子集成概念的可行性和有效性1.6.2 电力电子集成发展面临的问题
