一、功率半導(dǎo)體到底是什么

我們從功率半導(dǎo)體的基本定義開始介紹，后續(xù)章節(jié)再慢慢展開，

關(guān)于“Power”的含義

Power所說的“功率”，意思其實是“電力”。英語中，發(fā)電廠稱為“Power House或“Power Station”，輸電線稱為“Power Line”，電源叫作“Power Supply”，雖然沒有“Electic-”的詞綴，但都表示著電力相關(guān)的意思。而所謂功率半導(dǎo)體，如下圖所示就是用電氣控制的方法將輸人的電力進行轉(zhuǎn)換，以其他形式進行輸出的一種器件。這里所說的“電氣控制”是非常重要的控制手段，因為與之相對的，也就是傳統(tǒng)的“機械控制”，很容易隨著年代久遠(yuǎn)而產(chǎn)生故障。那么什么是“電力轉(zhuǎn)換”?這個問題將在后面解釋。

近年來，大家可能常常聽到“半導(dǎo)體產(chǎn)能不足”這樣的新聞，其中提到了“半導(dǎo)體’這個術(shù)語。“半導(dǎo)體”是一個與固體導(dǎo)電性相關(guān)的專業(yè)術(shù)語，同時也包含了半導(dǎo)體產(chǎn)品半導(dǎo)體器件的意思。因此，“半導(dǎo)體產(chǎn)能不足”其實是指“半導(dǎo)體產(chǎn)品、半導(dǎo)體器件”產(chǎn)能不足。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)就是像下圖那樣，包含了半導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體制造設(shè)備、半導(dǎo)體制造工藝、半導(dǎo)體產(chǎn)品、應(yīng)用產(chǎn)品等，從上游到下游連成的一個整體，是電子信息產(chǎn)業(yè)不可缺少的組成部分。

功率半導(dǎo)體與普通半導(dǎo)體器件的明顯區(qū)別

功率半導(dǎo)體與普通半導(dǎo)體器件的區(qū)別:一方面，像前面所說的，功率半導(dǎo)體是專用于實現(xiàn)“電力”轉(zhuǎn)換的裝置，而普通半導(dǎo)體一般處理“信號”的轉(zhuǎn)換和傳輸；另一方面功率半導(dǎo)體的工作電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體器件究竟是如何分類的，這個問題會在后面說明。因此，我們以生產(chǎn)一個半導(dǎo)體晶體管為例，功率晶體管和普通的晶體管，其基本構(gòu)造、制造工藝到基礎(chǔ)材料，包括生產(chǎn)企業(yè)都是不一樣的。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)與汽車產(chǎn)業(yè)的比較

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)與汽車產(chǎn)業(yè)有一定的可比性，有共同點，也有不同點，如下圖所示。共同點是:汽車的產(chǎn)品，從跑車到卡車，種類繁多，而半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)也是如此，其制造方法、生產(chǎn)企業(yè)也是百花齊放。

二、把功率半導(dǎo)體比作人的身體

功率半導(dǎo)體相比于普通半導(dǎo)體器件，功能有什么區(qū)別?我們嘗試用人體進行類比，來解釋這個問題。

功率半導(dǎo)體的作用

半導(dǎo)體器件的用途多種多樣。但正如前文所述的，半導(dǎo)體器件是由電氣驅(qū)動的器件它的工作過程就是將外部的電信號送入半導(dǎo)體器件，在器件內(nèi)部轉(zhuǎn)換成其他形式的電信號，然后從器件里向外輸出。所以半導(dǎo)體器件本身并不能產(chǎn)生信號或是電力(能量)，而是一種使信號和電力發(fā)生改變的轉(zhuǎn)換裝置。

在一些入門書籍或者講座中，常常把半導(dǎo)體器件與人體進行類比。例如，計算機中的MPU（MPU:MicroProcessing Unit(微處理器)的縮寫。內(nèi)部含有一枚CPU(CentralProcessing Unit，中央處理器)，負(fù)責(zé)計算機中的運算和數(shù)據(jù)處理。）和存儲器(Memory)掌管著信息的計算、處理和存儲，可以比作大腦;傳感器可以比作耳朵和眼睛等，就是人體的五種感官;太陽能電池可以產(chǎn)生能量(嚴(yán)格地說，只是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能)，可以比作食道、腸胃之類的消化器官為人體提供營養(yǎng)。做了這樣的類比，我們就比較容易理解。

那么功率半導(dǎo)體又如何呢?可能有人會聯(lián)想到手腳上的肌肉，但實際上功率半導(dǎo)體本身并不能運動。機器中能運動的裝置包括電動機、機械臂(含有運動部件的小型機械)或者 MEMS（MEMS:Micro Electro Mechanical System 的縮寫，電子器件和機械器件的融合體，代表性的有加速度傳感器。）之類的小型器件，這些可以比作手腳上的肌肉。而功率半導(dǎo)體是為這些裝置供應(yīng)電力或進行控制的，因此應(yīng)該將其比作血管或神經(jīng)才更合適。如下如所示。

什么是“電力轉(zhuǎn)換”

功率半導(dǎo)體的作用，用一句話來概括，就是前文所說的“電力轉(zhuǎn)換”。具體來說是怎么一回事呢?

我們在下圖做了一個概括。電信號包括交流信號(AC:AltermatingCurrent)和直流信號(DC:DirectCunrent)。其實，將它們互相轉(zhuǎn)換，就叫作“電力轉(zhuǎn)換”

其中用作正向轉(zhuǎn)換的器件是整流器(轉(zhuǎn)換器)(Converter)。正向轉(zhuǎn)換是從交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號，其原理就是所謂的“整流作用”。

相反，直流信號轉(zhuǎn)換為交流信號稱為逆向轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換的叫作逆變器(Inverter)以后整流器、逆變器這些詞將頻繁出現(xiàn)，請讀者牢記。除此之外，還有交流信號的頻率或電壓的轉(zhuǎn)換，直流信號的電壓轉(zhuǎn)換。直流信號的情況下，我們不會說頻率轉(zhuǎn)換這回事，因為直流信號不存在頻率。這種分類是根據(jù)電流的種類來劃分的。

另外，可轉(zhuǎn)換的參數(shù)可以按照電流、電壓、頻率這樣來分類，就像下圖中所示記住這些，后面的章節(jié)還會再提起。③所說的頻率轉(zhuǎn)換是只存在于交流信號中的。

舉例來說，電力機車的電力轉(zhuǎn)換就是其中的一種。功率半導(dǎo)體具體是如何實現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換的，將在后面說明。

功率半導(dǎo)體相比于其他半導(dǎo)體器件，比較不為人知。比如用于圖像處理的大規(guī)模集成電路，它們所起到的作用人們可以很直觀地看到。而用于電力轉(zhuǎn)換的功率器件，人們無法直接感知。功率半導(dǎo)體正是在扮演著這種“無名英雄”的角色。話說回來，同樣叫作 Inverter，在半導(dǎo)體的不同領(lǐng)域中具體表示的也可能是不同的意思。比如數(shù)字電路中的一種基本門電路“非門”，英文也是 Inverter。

三、身邊的功率半導(dǎo)體

這部分將舉出一些人們?nèi)粘Ｉ钪杏玫降墓β拾雽?dǎo)體的案例，為了兼顧功率半導(dǎo)體的整體，會舉出各種例子來發(fā)現(xiàn)它們的共同特征。供電公司名稱都是以“某某電力”來命名的，都帶有“電力”二字。提起這兩個字總是容易讓人聯(lián)想到發(fā)電廠、輸電線上流過的巨大電流。電力表示單位時間內(nèi)電的能量，物理學(xué)中叫作“電功率”，電功率=電壓x電流，看到這個公式，就能明白作為電力轉(zhuǎn)換器件的功率半導(dǎo)體，為什么需要那么大的電壓和電流了。

那么功率半導(dǎo)體在我們的家庭里，具體用在了哪些地方呢?

按照如今的生活水平，舉幾個例子來看日常所用到的功率半導(dǎo)體。本內(nèi)容中所列舉的數(shù)據(jù)，都是按照日本的標(biāo)準(zhǔn)來說的。一一般來說，從電網(wǎng)送到每個家庭的供電電壓都是100V(中國是220V)，但電流卻按照情況各有不同，都是幾十A(安培，電流單位下同)。我們晚上看書要用到日光燈，日光燈從家里的插線板獲取電力其工作原理是這樣的:日光燈的燈絲被加熱，電極間被加上高電壓后產(chǎn)生放電現(xiàn)象，將電能轉(zhuǎn)換為了光能。這樣即使是在夜里，人們也可以讀書了。以前老式的日光燈，會讓人覺得燈光好像在閃爍。這是由于日光燈在1s內(nèi)，其實發(fā)生了 100~120次“開”和“關(guān)”的動作，因而造成了閃爍的感覺。后來“逆變器”被應(yīng)用到了日光燈上，燈就不再閃爍了。首先，家用的100V(50Hz或60Hz)交流電被整流電路轉(zhuǎn)換為直流電，接著通過逆變器，直流電再次變成交流電但這次的頻率變成了50kHz。50kHz意味著日光燈每秒鐘開關(guān)5萬次，人的眼睛覺察不出這樣快速的變化，也就不覺得燈光閃爍了。

通過這個例子我們明白了，在這個過程中發(fā)生了兩次電力轉(zhuǎn)換:第一次是交流電到直流電，第二次是直流電到交流電，如下圖所示。而在所用到的整流電路和逆變器中起到關(guān)鍵作用的就是功率半導(dǎo)體。

把最初固定電壓、固定頻率的交流電經(jīng)過整流電路轉(zhuǎn)換為直流電，電壓可以根據(jù)實際需要來控制。更重要的是，直流電可以經(jīng)過逆變器的作用，轉(zhuǎn)換為其他頻率的交流電，來滿足不同電器的要求。

什么是“逆變器控制”

我們來看下一個例子。可能有人聽說過，空調(diào)也是用逆變器來控制的。的確，現(xiàn)代的空調(diào)幾乎都是用逆變器來控制的。具體來說，是利用逆變器改變交流電的頻率，根據(jù)環(huán)境的溫度，來調(diào)整空調(diào)壓縮機(Compressor)中電動機的轉(zhuǎn)速，以此來達(dá)到節(jié)能的目的。電動機轉(zhuǎn)速越高，溫度變化就越快;電動機轉(zhuǎn)速越低，溫度變化就越慢。在沒有使用逆變器控制以前，老式空調(diào)的電動機只有開(on)和關(guān)(off)兩檔，一旦打開，轉(zhuǎn)速就是固定的，這樣非常浪費電能。有了逆變器以后，電動機的轉(zhuǎn)速就不再是固定的，而是可以按照實際需要來控制，從而實現(xiàn)了節(jié)能。下圖簡單地畫出了這種結(jié)構(gòu)示意圖。沒有逆變器的老式空調(diào)機，溫度變化用不同顏色的折線來表示:而使用逆變器控制的空調(diào)機，溫度變化用黑色曲線來表示。不難看出，黑色曲線所對應(yīng)的溫度調(diào)整更加平穩(wěn)。

總而言之，逆變器靈活地調(diào)整了空調(diào)機中交流電的頻率和電壓值，提高了工作效率。而逆變器中的關(guān)鍵元件，就是功率半導(dǎo)體，后面還會詳細(xì)闡述。如今，在舒適的空調(diào)房里，在日光燈下閱讀本書的讀者，都應(yīng)該感謝功率半導(dǎo)體的貢獻。

這就是功率半導(dǎo)體在我們?nèi)粘Ｉ钪邪l(fā)揮作用的兩個例子。其他身邊的例子還有，比如計算機的電源適配器。這里同樣是將100V商用交流電經(jīng)過整流電路變?yōu)橹绷麟姡⒄{(diào)整為計算機工作所需的電壓值。整流電路的原理后面會講，其中用到了功率二極管，也屬于功率半導(dǎo)體。另外，順便一提，電源適配器很重，因為其中的變壓器是在一塊鐵芯上用大量導(dǎo)線繞制而成的。變壓器的作用就是把商業(yè)用電的高電壓轉(zhuǎn)換為計算機所需的低電壓。

四、電子信息產(chǎn)業(yè)中功率半導(dǎo)體的定位

在這部分中，我們一起看一看，在總市值300兆日元(譯者注:按日本的換算規(guī)則，1兆=1萬億)的全球電子產(chǎn)品市場中，功率半導(dǎo)體的定位。

電子產(chǎn)品

常見的電子產(chǎn)品有哪些?在下圖中根據(jù)用途對電子產(chǎn)品做了分類，并舉了一些例子。電子產(chǎn)品的范圍非常廣泛，這張表盡量列出了其中的主要部分。其中，功率半導(dǎo)體屬于半導(dǎo)體類別中的分立半導(dǎo)體，這在后面將會提到。

可實現(xiàn)高速開關(guān)的半導(dǎo)體器件

接著來看一下電子產(chǎn)品中的一個分類--半導(dǎo)體器件。先簡單介紹一下什么是半導(dǎo)體。

在物理學(xué)中，一種固體如果能導(dǎo)電(電流能在其中通過)，就稱為導(dǎo)體，例如金屬:如果不能導(dǎo)電(電流無法在其中通過)，就稱為絕緣體，例如塑料;而半導(dǎo)體則是介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一類固體，如下圖所示。半導(dǎo)體在一般情況下不導(dǎo)電，但是在某些情況下就變得可以導(dǎo)電。后面將會詳述，可以通過外部的電信號來控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，使其導(dǎo)電或不導(dǎo)電。導(dǎo)電性可以人為控制，這是半導(dǎo)體的一個特性。換句話說，半導(dǎo)體可以使電流時而流通，時而不流通(不流通就叫作截止)。這樣半導(dǎo)體就相當(dāng)于一個開關(guān)，并且這個開關(guān)可以在開和關(guān)兩個狀態(tài)之間實現(xiàn)每秒上萬次的高速切換。我們生活中常見的機械開關(guān)，是無法進行這樣的高速開關(guān)的。這種高速開關(guān)的能力是半導(dǎo)體所獨有的，尤其是對于功率半導(dǎo)體來說，這個能力非常重要。

總結(jié)起來，我們明白了半導(dǎo)體器件可以在電信號的控制之下，實現(xiàn)開關(guān)以及其他動作。這是一種有源器件（有源器件:是需要外部提供能源才能工作的電子元件，也稱為主動元件(Acive Device)。）

五、半導(dǎo)體器件中的功率半導(dǎo)體

半導(dǎo)體器件的市場雖然受到各種因素影響，但全世界的規(guī)模依然有50萬億日元以上（受匯率影響)。這里我們嘗試在半導(dǎo)體器件中為功率半導(dǎo)體做一個定位。

半導(dǎo)體器件與時代潮流

集成電路才剛剛出現(xiàn)，在印象中，晶體管是那個時代半導(dǎo)體器件的主流。兩根管腳的罐頭形晶體管和三根管腳的塑料封裝晶體管，是當(dāng)時身邊常見的半導(dǎo)體筆者年輕時曾跟一位姑娘聊天。對方問:“您是做什么工作的?”筆者回答說:“我是做半導(dǎo)體相關(guān)工作的。”結(jié)果對方非常仰慕:“呀，那計算機什么的您也一定很懂吧?”然后又追著問了很多問題。后來的談話內(nèi)容已經(jīng)記不清了，但這樣的談話反映出了人們對半導(dǎo)體的普遍認(rèn)知。當(dāng)時社會上到處有 Intel Inside 或者英特爾的廣告，所以“半導(dǎo)體=計算機’這樣一種理解深人人心。

半導(dǎo)體的應(yīng)用范圍一直在擴大，不斷涌現(xiàn)的半導(dǎo)體產(chǎn)品，每一個都代表著那個時代的技術(shù)水平、尖端商品和發(fā)展趨勢。筆者年輕時，是半導(dǎo)體=晶體管收音機的時代。20世紀(jì)80-90年代，是半導(dǎo)體=電視游戲機的時代。現(xiàn)在也許應(yīng)該說是平板計算機、智能手機的時代了。而將來則有可能是電動汽車的時代。

功率半導(dǎo)體是無名英雄嗎

雖然半導(dǎo)體已經(jīng)走進了我們生活的方方面面，但是要說其中的功率半導(dǎo)體這一分支有什么代表性的產(chǎn)品，卻怎么想也想不到。原因之一是像前文所說的，功率半導(dǎo)體總是在不顯眼的地方發(fā)揮作用。后面會說到，功率半導(dǎo)體在電力機車上用作電力轉(zhuǎn)換，只在一般人看不到的地方用得比較多。這就是功率半導(dǎo)體被稱為無名英雄的原因吧。最近HH(電磁感應(yīng)加熱)電磁爐的熱賣，讓功率半導(dǎo)體也有了揚眉吐氣的機會。

我們對電路中的所有元件做一個分類，如下圖所示。其中，半導(dǎo)體器件屬于有源器件(Actve Device)。有源器件需要外部電源提供能量，將輸人進來的電能或信號進行轉(zhuǎn)換。圖中深色背景的就是功率半導(dǎo)體。功率半導(dǎo)體在如今的半導(dǎo)體市場中占有一成的比例。

半導(dǎo)體中的功率半導(dǎo)體

下圖中將半導(dǎo)體器件分為集成器件和分立器件(單功能器件)兩類。從這種分類中可以看到，功率半導(dǎo)體屬于分立半導(dǎo)體器件。不同于大規(guī)模集成電路(LSI)（LSI:Large Sealed Integraled circuit 的縮寫，意為大規(guī)模集成電路，在一個電路中至少含有1000個以上電子元件。）是由各種半導(dǎo)體器件組合而成，具有復(fù)雜的功能和大的記憶容量，分立半導(dǎo)體只是用來實現(xiàn)單一的功能，所以又稱為單功能器件。除了功率半導(dǎo)體以外，CCD之類的圖像傳感器，將圖像信號轉(zhuǎn)換為電信號，也屬于單功能器件。

在種類如此繁多的半導(dǎo)體器件中，功率半導(dǎo)體到底處于什么樣的定位呢?大規(guī)模集成電路(LSI)是用來處理信號的，功率半導(dǎo)體是處理電力的。提到電力我們會聯(lián)想到什么呢?現(xiàn)代人的生活中，電力作為最普遍的能源，是不可缺少的。沒有經(jīng)歷過自然災(zāi)害的人可能無法體會，但如果有誰經(jīng)歷過因地震、積雪而造成長時間停電，那一定會明白電力在那種時候是多么寶貴。在如今的時代，電力已經(jīng)和空氣、水一樣，支持著人類的生命。所以沒有功率半導(dǎo)體，就沒有我們?nèi)缃竦纳睢?/span>

六、晶體管構(gòu)造的差異

這里我們將比較普通晶體管和功率半導(dǎo)體晶體管的基本區(qū)別。以MOS晶體管為例進行比較，是最能看出差異的。

普通的 MOS 晶體管

目前市面上常見的硅基半導(dǎo)體人門書籍，都是以 MOS 晶體管為例來寫的。MOS晶體管的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。圖中畫出了 MOS 晶體管的一個縱剖面，包括三個電極(或稱為端子):源極(Source)、漏極(Drain)、柵極(Gate)，都位于硅晶圓的正面。假設(shè)電流或者說載流子(Carrier)的流動都限于圖中這個范圍內(nèi)。大規(guī)模集成電路(LSI)中所用的 MOS 晶體管，主要在數(shù)字電路中實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換，在低電壓的控制下實現(xiàn)電路的開關(guān)操作。下圖所示的結(jié)構(gòu)圖中，電流是沿著水平方向的溝道(Channel)來流動的。如果要讓溝道中的電流變大，只要將溝道向垂直于紙面的深處擴展，使載流子的通道變寬就可以了。就像在車道上行駛，車道越寬，允許通過的車流量就越大。

器件隔離區(qū):為了讓相鄰的器件之間不互相影響，在這里設(shè)置絕緣區(qū)域，從而將兩個器件分隔開

功率型 MOS 晶體管

與之相比，功率型 MOS 晶體管，或者說功率型 MOSFET（MOSFET:與MOS晶體管意思完全相同。MOSFET更加強調(diào)器件的構(gòu)造，而MOS晶體管強調(diào)類別。）的結(jié)構(gòu)就大大不同。最顯著的特點是，其漏極的電極是在晶圓的背面形成的，如下圖所示。大規(guī)模集成電路中的普通 MOSFET只需要實現(xiàn)小信號電流的開關(guān)，所以只需要薄薄的一層溝道:而功率型MOSFET，由于需要通過很大的電流，所以必須將晶圓的整個厚度全部當(dāng)作電流通路來使用。這是兩種 MOSFET的差異之一。由此帶來的結(jié)果是電流的方向也是不同的，普通MOSFET電流是沿著晶圓平面水平流動，功率型MOSFET的電流則是沿著垂直晶圓方向流動。另外，我們在后面還將看到，功率型MOSFET要求在電流流經(jīng)的路徑(也就是晶圓厚度方向)上摻雜濃度均勻，所以用F(懸浮區(qū)熔)法得到的硅晶圓來制作功率型MOSFET 是最理想的。

兩種類型晶體管的差異

到此為止，我們所列舉的差異都總結(jié)在下圖中。總的來說，大家必須知道，兩者基本構(gòu)成要素是一樣的，但具體構(gòu)造是完全不同的。這些差異也會體現(xiàn)在它們的制造工藝上，這將在后面討論。

從上向下地看晶體管的構(gòu)造

常見的硅基半導(dǎo)體人門書籍中，講述 MOSFET的構(gòu)造都會采用MOS晶體管和功率型MOSFET那樣的圖片來表示，也就是從縱剖面來看晶體管的結(jié)構(gòu)。那么從上向下看平面圖會是什么情況呢?

我們用下圖來表示。普通 MOSFET的結(jié)構(gòu)，如許多書中所講，就是源極、漏極夾住了中間的柵極。與之相對的，功率型 MOSFET則是這樣的結(jié)構(gòu):極是包圍著柵極的對柵極施加電壓的時候，其下方的FET(場效應(yīng)管)進人on(開啟)的狀態(tài)，電流從硅晶圓正面的源極流向背面的漏極。為了方便看清楚，這個圖中沒有按照實際比例來畫圖。實際上用于邏輯運算的普通 MOS 晶體管肯定比功率型 MOS 晶體管小很多。

另外補充一個知識點，晶體管中電流的大小與溝道寬度成正比，與溝道長度成反比。

參考文獻：

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