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功率器件的基础知识
概念：
功率半导体器件，以前也被称为电力电子器件，简单来说，就是进行功率处理的，具有处理高电压，大电流能力的半导体器件。典型的功率处理，包括变频、变压、变流、功率管理等等。
种类;
根据开关特性不同，可分为：
半控型器件：通过门极信号只能控制其导通而不能控制其关断的器 件，如SCR；
全控型器件：通过门极信号既能控制其导通又能控制其关断的器件， 如BJT、IGBT、GTO、IGCT。
根据控制极（包括门极、栅极或基极）信号的不同性质，可分为：
电流控制型器件：一般通过从控制极注入或抽出控制电流的方式来实现对导通或关断的控制，如SCR；
电压控制型器件：利用场控原理控制的电力电子器件，其导通或关断是由控制极上的电压信号控制的，控制极电流极小，如IGBT。
根据半导体器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，可分为：
单极型器件：由一种载流子参与导电的器件，如MOSFET；单极型器件只有一种载流子（多数载流子）参与导电，是电压控制型器件，具有控制功率小、驱动电路相对简单、工作频率高、无二次击穿问题、安全工作区宽等显著特点，其缺点是通态压降大、导通损耗大。
双极型器件：由电子和空穴两种载流子参与导电的器件，如BJT；双极型器件中两种载流子都参与导电，具有通态压降小、导通损耗小的显著特点，多数属于电流控制型，其缺点是控制功率大、驱动电路较复杂、工作频率较低、有二次击穿问题等。
混合型器件：由单极型和双极型两种器件组成的复合器件，如IGBT。混合型器件又称复合型器件，综合了单极型和双极型各自的优点，利用双极型器件作为它的输出级，而利用单极性器件作为它的输入级
特性：
功率半导体器件是电力电子电路的重要组成部分，一个理想的功率半导体器件应该具有好的静态和动态特性， 在截止状态时能承受高电 压且漏电流要小；在导通状态时，能流过大电流和很低的管压降；在开关转换时，具有短的 开、关时间；通态损耗、断态损耗和开关损耗均要小。同时能承受高的 di/dt 和 du/dt 以及具 有全控功能。
应用市场：
功率器件包括功率IC和功率分立器件，功率分立器件则主要包括功率MOSFET、大功率晶体管和IGBT等半导体器件，功率器件几乎用于所有的电子制造业，所应用的产品包括计算机领域的笔记本、PC、服务器、显示器以及各种外设；网络通信领域的手机、电话以及其它各种终端和局端设备；消费电子领域的传统黑白家电和各种数码产品；工业控制类中的工业PC、各类仪器仪表和各类控制设备等。除了保证这些设备的正常运行以外，功率器件还能起到有效的节能作用。由于电子产品的需求以及能效要求的不断提高，中国功率器件市场一直保持较快的发展速度。
从功率器件的产品结构来看，功率IC和MOSFET的市场份额较大，分别占有40.4%和26.0%的市场份额，是中国功率半导体市场上最重要的两个产品，此外，大功率晶体管、达林顿管、IGBT和晶闸管也占有一定的市场份额。
几乎所有的电子产品都会用到功率IC，近年来，随着整机产量的增加，功率IC市场的发展也十分迅速。
功率MOSFET的应用也十分广泛，其中20V产品主要用于手机、数码相机，30V产品主要用于计算机主板、显卡，40V产品主要用于机顶盒和电动自行车，60V产品主要用于UPS、汽车雨刷、汽车音响、马达控制，80V以上产品主要用于LCD TV、LCD显示器和其他仪器仪表等，而150V-400V的产品主要用于照明、CRT电视、CRT显示器、背投电视、电热水器和洗衣机等，400V-800V产品主要用于发动机启动器、车灯控制、电机控制，嵌入式电源和电源适配器等，800V-1000V的产品主要用于风力发电、电焊机和中低压变频器等、1000V以上产品主要用于高压变频器、发电和变电设备等。由于手机、数码相机、计算机主板、显卡、LCD显示器等产品产量庞大导致电压在20V-100V之间的MOSFET用量最大。
IGBT虽然份额较小，但发展快速，从IGBT耐压范围上看，电压在600V-1200V之间的IGBT用量最大，目前在电磁炉、电源、变频家电等产品中使用的IGBT耐压一般都是600V和1200V。低于600V的IGBT产品主要使用在数码相机闪光灯和汽车点火器上。电压大于1200V的IGBT主要以1700V IGBT为主，该产品在高压变频器等工业产品上广泛使用。
其它功率器件产品仍将保持较快的发展速度，但由于应用领域相对狭窄，多用于工业控制领域，因此未来的市场份额可能会缓慢减少。
未来发展方向：
功率器件主要分为功率分立器件以及电源管理IC两大类产品。从市场份额来看，电源管理IC大概占40%，而功率分立器件则占60%，二者广泛应用于各种各样的电子产品之中。
　　电源管理芯片方面，经历了多年的快速发展之后，由于产品库存调整、用量增长率放缓以及产品价格下降等诸多因素的影响，市场发展在2007年有所放缓，预计2007年中国电源管理芯片的市场增长率将下降到15%左右，近些年来，增长率首次跌落到20%以下，然而由于2007年的市场基数处于一个较低的水平以及未来应用还将稳定增加，因此中国电源管理芯片市场有望在2008年重新回到20%的增长水平。
　　从电源管理芯片的产品类型来看，应用最多的两类产品依然是LDO和DC-DC产品，但这两类产品在2007年同时受到价格下降以及用量增速放缓的影响，在电源管理芯片中的市场份额稍有下降。同时，得益于手机等便携产品应用增加的推动，2007年PMU和电池管理等产品的市场增长率相对较高，而且未来PMU、电池管理以及热拔插等产品的市场份额将会有所提高。

　　电源管理芯片主要应用于计算机、网络通信、消费电子和工业控制等领域，此外，汽车电子领域虽然所占市场份额较小，但却是发展最快的领域。从未来的发展来看，汽车电子领域仍将是发展最快的领域，其市场份额在未来几年将快速提高，此外，网络通信也将在3G等应用的带动下保持快速的发展，其市场份额也将稳步提高，消费电子、计算机和工业控制领域的发展则会相对稳定。
　　技术方面，更高的集成度、更高的功率密度、更强的耐压、耐流能力以及更高的能效等方面一直是电源管理芯片的发展方向，技术的不断更新和发展也将是推动电源管理芯片市场发展的主要因素之一。
　　从竞争格局来看，电源管理芯片无论在市场还是技术，欧美厂商都占据绝对优势，尤其是美国厂商，虽然ST、NXP和Infineon三家欧洲大厂也有很强的竞争力，但是电源管理芯片只是它们众多产品线中的一个而已，而美国厂商则拥有NS、TI、Fairchild、OnSemiconductor、IR和Maxim等众多厂商，而且多为专注与电源管理领域的厂商。电源管理芯片市场上欧美强势的格局已经持续很多年，而且从目前来看，这种格局在未来几年还将继续。虽然欧美厂商在技术和市场上都保持优势，但并不代表中国以及其它地区的新进入者没有机会，目前中低端电源管理芯片的技术门槛对众多有能力的设计公司来讲已经不是问题，在中国就有圣邦微电子、长运通、龙鼎、明微和华润矽威等一批从事电源管理芯片研发的企业，虽然产品基本限定在LDO、DC-DC和LED驱动等产品中，但毕竟已经在市场取得一定成功、客观的说，目前这些新进入者无法对欧美厂商形成太大威胁，无论在产品线的完整性还是产品技术方面都明显落后于领先厂商，但是这些厂商在电源管理芯片的中低端领域已经具备一定的竞争力，未来如果发展良好，在某些领域和产品应用中可以和欧美领先厂商一较高下。
　　在功率分立器件市场中，IGBT和MOSFET市场都将保持着较高的增长速度，但由于IGBT产品主要应用在高压产品中，市场应用受到一定的限制，所以市场规模要小于MOSFET。而受到消费电子以及高输出电流和高性能要求的计算机市场的带动，低压MOSFET市场在未来将保持着比较快的增长趋势。对于高压MOSFET来说，电源的高能效要求则是影响产品未来发展的主要因素。而随着汽车中IC用量的逐步增多，为了满足这些日益增多的IC对电源的需求，MOSFET的用量也呈现出上升趋势。MOSFET在电动五金|工具等产品中的应用也将推动工业控制领域的发展。
　　从工艺技术上看，由于Trench技术能够有效地降低产品的导通电阻，并且具有较大电流处理能力，所以近年来TrenchMOSFET在计算机、消费电子等领域中发展快速。目前，TrenchMOSFET技术在低压MOSFET产品市场中已被广泛接受，具有很高的市场占有率。在高压MOSFET市场上，虽然随着TrenchMOSFET工艺技术的不断提升产品的耐压能力有了一定的提高，但相较于Planar产品，TrenchMOSFET的耐压能力仍有一定的差距。整体上来看，在高压MOSFET市场上，Planar技术仍有一定的发展空间。未来，含有高端工艺的平面技术将会是高压MOSFET的发展趋势。
　　无论是电源管理芯片还是功率分立器件，未来中国市场的发展都很难达到近五年来的增长速度，直接因素就是未来整机制造业向中国转移趋势的减缓，以及众多整机的增长率在经历了多年的高速增长之后将会逐渐饱和，因而造成的下游整机产量增长的减缓，整机产量增长率的减缓将直接导致功率器件需求量增长的减缓，从而影响功率器件市场的发展，未来5年，预计中国功率器件的复合增长率将在15%左右。
新型功率器件的研究热点
新型功率器件MCT:
概念：
MCT是一种新型MOS/双极复合器件。它是在普通晶闸管中用集成电路工艺制作大量的MOS开关，通过MOS开关的通断来控制晶闸管的开启和关断。所以，MCT既有晶闸管良好的阻断和通态特性，又具有MOS场效应管输入阻抗高，驱动功率低和开关速度快的优点，同时克服了晶闸管速度慢，不能自关断和高压MOS场效应管导通压降大的缺点。由于MCT与IGBT在相同的工作频率下，其关断的控制难度要高，制作工艺更复杂，所以其商业化速度没有IGBT那么快。但是，在牵引和高压DC变换领域中，对大容量，高输入阻抗电力电子器件的迫切需要，激励着对MCT的研究
基本结构：
MCT可分为P型或N型，对称或不对称关断，单端或双端关断FET门极控制和不同的导通选择（包括光控导通）。所有这些类型都有一个共同特点，即通过关断FET使一个或两个晶闸管的发射极－基极结短路来完成MCT的关断。本文以P型不对称关断MOS门极的MCT为例进行说明。图1是MCT的断面图和等效电路。该等效电路与一般的晶闸管双晶体管模型基本相同，只是加入了导通FET和关断FET。

（a）    断面图

(b)    等效电路图
图1    MCT的断面图和等效电路图 
工作特性 ：
    由MCT的等效电路可知，一个MCT是由大量的这样的等效电路组成的，每一个这样的等效电路包括一个宽基区的PNP晶体管和一个窄基区的NPN晶体管（二者构成晶闸管），以及一个OFF-FET和一个ON-FET。OFF-FET连接在PNP晶体管的基极和发射极之间。同时，还有少部分ON-FET，连接在PNP晶体管的集电极和发射极之间。两只MOS场效应管的栅极连在一起形成MCT门极。
    当MCT门极相对于阴极施加正脉冲电压时，ON-FET导通，它的漏极电流使NPN晶体管导通，NPN晶体管的集电极电流（空穴）使PNP晶体管导通，而PNP晶体管的集电极电流（电子）又促使了NPN晶体管的导通，这样的正反馈，使MCT迅速由截止转入导通，并处于擎住状态。当门极相对于阴极加负脉冲电压时，OFF-FET导通，PNP晶体管的基极－发射极被短路，使PNP晶体管截止，从而破坏了晶体管的擎住条件，使MCT关断。无论开启或关断，在芯片上各部分都是同时进行的，所以MCT具有较高的开关速度。
新型功率器件IGCT:
在电力大功率应用领域中, 对理想的功率半导体器件有如下特性要求: 电流容量大、开关速度快、开关频率高、结构紧凑、阻断电压高、损耗低、可靠性高、成本低。但在实际中, 由于技术水平的局限, 许多功率半导体器件如SCR、GTO、I GBT, 虽有很大进展, 但在实际应用方面仍存在一些缺陷。一种新型的在传统GTO ( 可关断晶闸管) 基础上发展起来的功率半导体器件——IGCT 应运而生了.
传统GTO 具有制造成本低和成品率高的特点, 但其门极电路复杂, 所需控制功率大, 这就使设计复杂, 电路损耗大; 而且关断不均匀, 需要笨重而昂贵的吸收电路。IGCT 是一种新型的电力电子器件, 它将GT O 芯片与反并联二极管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。IGCT 在导通时发挥晶闸管的性能, 通态损耗低; 在关断阶段类似晶体管的特性, 具有稳定的
关断能力。而且IGCT 还具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低、制造成本低、成品率高的特点.
性能研究：
IGCT 是GCT ( 门极换向型晶闸管) 和集成门极驱动电路的合称[ 2] 。当GCT 在导通状态时, 是一个象晶闸管的正反馈开关, 其特点是携带电流能力强和通态压降低。在关断状态时, GCT 门——阴极
PN 结提前进入反向偏置, 并有效的退出工作, 整个器件呈晶体管方式。图1 为IGCT 在导通、关断两种状态下的等效电路图。

IGCT 与GTO 一样, 也具有制造成本低和成品率高的优点。这是由于IGCT 生产工艺与GTO 完全兼容, GCT 的器件结构设计在某些方面与GT O完全相同。而且IGCT 具有传统GTO 所没有的优点: 关断时间短; 门极驱动电路控制简单, 电路损耗小; 关断均匀, 省去了吸收电路。IGCT 在设计中采用透明发射极技术, 这个透明发射极是一个发射效率依赖电流密度的很薄的PN 结, 其损耗和开通阀值很低。在小电流下, 透明阳极发射率很高, 因而对GCT 的触发电路和通态门极电流要求低。另一方面, 透明阳极在大电流下具有较低的注入效率, 并且在关断期间, 基区电子可以透过透明阳极达到金属接触面而复合, 为载流子快速流出提供了通道, 缩短了关断时间ts( t s< 1 !s) 。
　IGCT 门极驱动电路以低电感方式与GCT 相连接, 如图2 所示。采用透明发射极技术后, IGCT门极单元体积大约是GTO 门极单元的一半。同时其基区尾部电流持续时间减半, 从而降低了对门极驱动功率的要求, 电路损耗减小。

GCT 关断时( 如图3 为I = 3 kA, U = 4. 5 kVIGCT 关断波形) , 通过打开一个与阴极串联的开关( 通常是MOSFET ) , 使P 基极——N 发射极反偏,迅速阻止阴极注入, 将整个的阳极电流强制转化成门极电流( 通常在1 !s 内) , 从而关断均匀, 而且GCT 在增益接近1 时关断, 因此省去了传统GTO所需的保护性吸收电路。

表1 为4. 5 kV 的IGCT 与GT O 进行了比较[ 3] , 可见IGCT 性能明显优于传统GTO. IGCT 与IGBT 相比, 也具优势。

目前, IGBT 在应用方面有了很大进展, 但IGBT 通态损耗大, 发热现象严重, 必须强迫冷却( 水冷或风冷) , 而且对冷却要求苛刻, 可靠性不高,大大限制了其在大功率场合的应用。IGCT 通态损耗很低( 约为同电压的IGBT 一半) , 对散热要求不高, 而且其存储时间短, 串联使用时, 各个IGCT 关断时间偏差极小, 分担电压均衡,非常适合中电压大功率应用场合。
IGCT 在传统GT O 技术基础上发展起来的, 有GT O 的制造成本低, 成品率高的优点; 又具有IGBT 的优点: 关断均匀, 开关速度快, 通态损耗低,对散热要求不高; 门极驱动功率小, 不须保护性的吸收电路, 是中电压大功率应用场合中极具发展潜力的功率半导体器件。