【導讀】功率半導體是起到對電氣和電子設(shè)備運行所需的電力進行管理、控制和轉(zhuǎn)換作用的半導體元件。它被嵌入功率電子電路當中，這些電路包括為家用電器和IT設(shè)備穩(wěn)定提供驅(qū)動電力的電源電路、無浪費地傳輸和分配電力的電力轉(zhuǎn)換電路以及通過可自由控制的扭矩和轉(zhuǎn)速高效率地驅(qū)動電機的電路等。
為加速實現(xiàn)碳中和，正在實施各種電氣化和節(jié)能化舉措。
世界各國政府以及各行各業(yè)的企業(yè)正在共同努力，推進邁向碳中和的舉措。人們正在從能夠想到的多個角度實施脫碳措施，例如使用太陽能發(fā)電等可再生能源，讓迄今為止燃燒化石燃料的設(shè)備實現(xiàn)電氣化，降低家用電器、IT設(shè)備和工業(yè)電機等現(xiàn)有設(shè)備的功耗等等。隨著越來越多的脫碳舉措得到實施，有一個半導體領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新正在迅速加速。它就是功率半導體。
各個國家和地區(qū)已經(jīng)開始將碳定價機制作為制度引入，以將與業(yè)務活動相關(guān)的溫室氣體排放轉(zhuǎn)嫁到成本。因此，脫碳舉措不僅具有為社會做貢獻的重要意義，而且會對企業(yè)經(jīng)營的成績單——財務報表也會產(chǎn)生明顯的數(shù)字影響。
脫碳舉措對電子行業(yè)產(chǎn)生深遠的影響，催生出勢不可擋的新一輪半導體技術(shù)更替和成長，特別是在功率半導體領(lǐng)域，以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬禁帶材料替代傳統(tǒng)硅基器件。
人類為了能在未來減少溫室氣體排放，時隔半個世紀，半導體材料正面臨全面變革！
進一步降低功耗，硅基器件遭遇瓶頸
功率半導體是起到對電氣和電子設(shè)備運行所需的電力進行管理、控制和轉(zhuǎn)換作用的半導體元件。它被嵌入功率電子電路當中，這些電路包括為家用電器和IT設(shè)備穩(wěn)定提供驅(qū)動電力的電源電路、無浪費地傳輸和分配電力的電力轉(zhuǎn)換電路以及通過可自由控制的扭矩和轉(zhuǎn)速高效率地驅(qū)動電機的電路等。
功率半導體有MOSFET、IGBT、二極管等各種元件結(jié)構(gòu)，根據(jù)用途分別使用。其中，
MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）
即金屬氧化物半導體場效應晶體管是一種起到電氣開關(guān)作用的場效應晶體管。它由3層組成：金屬、氧化物和半導體，通過向稱為柵極的電極施加電壓來進行打開和關(guān)閉電流的動作。
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）
即絕緣柵雙極晶體管，是具有將MOSFET和雙極晶體管組合后的結(jié)構(gòu)的晶體管。其特點是同時具有MOSFET的高速動作和雙極晶體管的高耐電壓、低導通電阻的特點。
盡管結(jié)構(gòu)不同，半個多世紀以來一直使用硅（Si）作為元件材料。這是因為Si具有良好的電氣特性，同時具有易于加工成多種元件結(jié)構(gòu)的特性。
然而，目前Si基功率半導體已無法滿足進一步降低多種電氣和電子設(shè)備功耗所需的高水平技術(shù)要求。為了克服這一瓶頸況，比Si更適合作為功率半導體材料的碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等新材料的使用范圍正在不斷擴大。
SiC和GaN在擊穿電場強度（影響耐電壓）、遷移率（影響動作速度）和熱導率（影響可靠性）等多個物理特性上具有適合功率半導體的特點。如果能夠開發(fā)出發(fā)揮其出眾特性的器件，就能制造出具有更高性能的功率半導體。
今天，基于SiC的MOSFET和二極管已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)品化，并已用于電動汽車電機驅(qū)動逆變器和太陽能發(fā)電功率調(diào)節(jié)器中的DC/AC轉(zhuǎn)換器等。
基于GaN的HEMT（High Electron Mobility Transistor）也已實現(xiàn)產(chǎn)品化。HEMT是一種高電子遷移率的場效應晶體管，能通過連接不同性質(zhì)的半導體并誘導高遷移率電子來實現(xiàn)高速開關(guān)。目前，氮化鎵HEMT已用于超小型PC的AC轉(zhuǎn)換器和智能手機充電器等。
然而，要充分發(fā)揮出SiC/GaN的潛力，離不開電容器和電感器等無源元件的同步發(fā)展。
發(fā)揮SiC/GaN潛力，無源元件不可或缺
僅通過單純地替換現(xiàn)有電力電子電路中的Si基元件無法充分發(fā)揮基于新材料制造的功率半導體的潛力。這是因為組成電力電子電路的其他半導體IC、無源元件甚至控制軟件都是在以使用Si基功率半導體為前提的情況下開發(fā)和選擇的。為了有效利用基于新材料的功率半導體，這些周邊元件也需要重新開發(fā)和重新選擇。
使用GaN基功率半導體的AC/DC轉(zhuǎn)換器（用于數(shù)據(jù)中心服務器等）電路示例
例如，在采用了為降低數(shù)據(jù)中心服務器的功耗而引進的GaN HEMT的AC/DC 轉(zhuǎn)換器電路中，使用了多個GaN HEMT（上圖）。
利用GaN HEMT可以在高電壓時進行高速開關(guān)的特性，可以提高功率電子電路的開關(guān)頻率（動作頻率）。在動作頻率較高的電路中，電路中內(nèi)置的電容器和電抗器信號處理電路中的電感器的電抗值可以很小。一般來說，低電抗元件的尺寸較小，因此可以讓電路板更小并提高功率密度。同樣，在驅(qū)動電動汽車的電機的逆變器電路等當中也可以通過引入SiC MOSFET實現(xiàn)周邊元件小型化，進而實現(xiàn)逆變器電路整體的小型化和輕量化。
另一方面，在高電壓時進行高速開關(guān)的電源會產(chǎn)生高水平的噪聲，這可能會對周邊設(shè)備的動作產(chǎn)生不利影響。采用SiC或GaN功率半導體構(gòu)建的電源在更高頻率下進行開關(guān)，所以進一步增加了風險。因此，需要比使用以前的電力電子電路時更加嚴格的噪聲對策。在這種情況下，需要使用設(shè)計用于高電壓、大電流和高頻電路的靜噪元件，而不是用于以前的電路的靜噪元件。
除此之外，對于在無源元件當中也屬于特別笨重的元件的變壓器，也需要在更高頻率下工作的小型變壓器?，F(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出了以使用基于SiC和GaN的功率半導體為前提的薄型平面變壓器等，并且已經(jīng)投入市場。
不僅關(guān)注功率半導體，關(guān)注周邊元件的進步同樣重要！
迄今為止，多種類型的半導體（不僅僅是功率半導體）都是使用以Si為基礎(chǔ)制成的。因此，許多現(xiàn)有的電子元件都默認是以與Si基半導體組合使用為前提進行開發(fā)的。為了充分發(fā)揮采用新材料制成的功率半導體的效果，不僅需要在現(xiàn)有元件中尋找更好的元件，而且可能需要開發(fā)滿足新技術(shù)要求的新元件。
按元件材料和結(jié)構(gòu)劃分的功率半導體分布
一般來說，在Si基功率半導體中，呈現(xiàn)可以應對更高電壓和更大電流的元件的動作速度更低的趨勢（上圖）。因此，能夠應對高電壓和大電流的小型電容器和電抗器并不齊全。
此外，在能夠在高溫下穩(wěn)定工作的SiC基功率半導體當中，有將散熱系統(tǒng)簡化以減小尺寸和重量并降低成本的趨勢。在這些情況下，無源元件在高溫環(huán)境下也需要確保高可靠性。
在功率半導體領(lǐng)域引入新材料是對半個多世紀以來針對Si材料進行優(yōu)化的電氣電子生態(tài)系統(tǒng)進行根本性變革的重大動向。針對新材料進行優(yōu)化的周邊電子元件的進步也非常值得關(guān)注。
文章來源：Murata村田中國
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