功率半导体器件有哪些？浅析IGBT、可控硅的结构特点 - 上海国际电力元件

从20世纪50年代左右开始出现第一代半导体材料，硅和锗等；到大约过了十年之后兴起的第二代半导体材料，砷化镓、磷化铟等；再到20世纪80年代时现世的第三代半导体材料，氮化镓、氧化锌、氮化铝、碳化硅等。

这一次次的迭代和演变都朝着一个方向去了，那就是：更高的能量转换效率、更高的工作温度和工作频率、更高的可靠性和稳定性、更低的成本和更高的生产效率。

功率半导体器件也正是在这样的发展历程中出现并被广泛使用的。

功率半导体器件

功率半导体器件由功率半导体材料制作而成。功率半导体材料具有宽禁带、高击穿电场、高热导率、高电子迁移率等特性，可以在高温、高压、高频、大功率等极端条件下工作，实现电能的有效转换和控制。

功率半导体器件可分为功率半导体分立器件（Power Discrete，包括功率模块）和功率半导体集成电路（Power IC）两大类。因此，功率半导体分立器件实际上是功率半导体器件的一个子类。

功率半导体分立器件是指被规定完成某种基本功能，并且本身在功能上不能再细分的半导体器件，根据其结构和功能的不同，主要可分为功率MOSFET、IGBT、功率二极管、功率双极晶体管和晶闸管（可控硅）5大类型。

MOSFET、二极管、双极型晶体管在上期文章中已经介绍过了，此处就来讲讲IGBT和可控硅。

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），全称绝缘栅双极晶体管，是一种电压驱动的复合型器件，由MOSFET和双极晶体管组成，输入部分为MOSFET结构、输出部分为双极结构。所以说，它兼具了二者的优点，具有输入阻抗高、电流放大能力强、导通电阻低、耐压高等特点。

IGBT的开关特性可以实现直流电和交流电之间的转化或者改变电流的频率，有逆变和变频的作用。它极其适用于中高频、中高压、大功率的交直流转换和变频调速应用，例如逆变器、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等。

也正是如此，从小家电、数码产品，到航空航天、高铁领域，再到新能源汽车、智能电网等新兴应用都大量在使用IGBT。

可控硅（Silicon-Controlled Rectifier，SCR）是一种电流驱动的半控型半导体器件，也被称为双向可控硅。它由两个双极晶体管组成（即4个交替的P型和N型半导体层），具有耐压高、容许电流大、可靠性高等优点，适用于低频、高压、大功率的交流控制和整流应用，如可控整流电源、交流调速电路等。

可控硅基于其自身独特的电气特性（双向导电性和可控性），成为电子和电力应用领域中的重要组件。

而关于功率半导体集成电路（即功率IC），其实它就是指将功率半导体分立器件与驱动/控制/保护/接口/监测等外围电路集成而来的半导体器件，如IPM、SiC功率器件、电源管理芯片、驱动芯片等。

总的来说，功率半导体器件的特别之处就在于其具备了处理高电压、大电流的能力，可以在特殊的环境下工作，并能达到很高的开关速度和效率，只存在很低的开关损耗和导通损耗，同时还能保证较高的可靠性和稳定性。

网上有很多文章在写半导体未来的发展趋势，大部分人都偏向于认同短时间内半导体行业仍无法摆脱摩尔定律这一关观点。

其实，了解这个行业的人感受可能会更直观，好比即使硅材料作为初代半导体材料，新兴材料的优势远超于它，但硅仍旧是在商业应用上最具有影响力的一种，最为关键影响因素还是成本。

成熟的工艺、规模化的生产能最大程度降低成本，而成本是商业化的重中之重，当然也限制着半导体材料研发和推广的进程。

尽管如此，光智始终相信，半导体行业将继续保持快速发展，技术创新、环保合规、物联网、数据安全等趋势将会推进半导体产业链上下游共同迎来新机遇与变革。

另外，半导体材料也一定会有新的迭代甚至掀起完全不同于过往的浪潮。毕竟，先进制程的制造需求和新兴应用场景对芯片提出更高性能、更高可靠性的要求将会倒逼半导体材料产业继续延伸。让我们拭目以待！