前面我们介绍了半导体材料的发展,而对功率半导体器件经历的发展历程可以简述为三代,其中,第一代以晶闸管(SCR)、双极型晶体管(BJT)、金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)等于1960s出现 ;第二代以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的面世为代表,它于1980s出现;20世纪末期,第三代半导体器件以宽禁带半导体材料为依托,主要有碳化硅(SiC) 和氮化镓(GaN)器件,并且在大功率系统中碳化硅已经得到较多的应用,主要是碳化硅MOSFET分立器件以及模块器件,而氮化镓器件已经在中小功率领域,如手机快充领域得到较多的应用。从另一个方面来看,对于功率半导体器件也从结型控制器件,这里的结(Junction),典型代表是PN结,这是半导体器件的灵魂基础,这些器件包括Diode、BJT、SCR、GTR和GTO等。
两种不同类型的半导体在相接的地方会通过载流子的扩散和复合会形成PN结,也就是空间电荷区,对称PN结的空间电荷区整体表现为电中性,多数半导体器件都存在PN结结构(注:肖特基不是PN结)。
<PN结示意图>
从结型器件发展到场控器件,这里场指电场,代表器件包括MOSFET、IGBT和IGCT等,而高频化、低功耗、全可控、场控化已经成为功率半导体器件的主要特征,关于这些器件的特征我们已在文中提及,其实质是材料和工艺的进步结果。
我们将不可控器件和半可控器件除外,这里介绍的是目前多数电力电子系统中常用的全控型器件如IGBT和MOSFET,首先MOSFET即“金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)”,IGBT即“绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor)”,名称是各自英文单词首字母的组合,方便记忆,可以说这两种场全控型器件是目前电力电子或功率领域应用最为广泛的器件类型,从低压到高压、从小功率到大功率,它们优势互补,组成了电力电子系统及设备王国,由器件组成发展为拓扑、直到电力电子整体系统,电力电子硬件设计的核心是随之发展的器件,尤其是功率半导体器件。
如下图表是各类功率半导体器件发展的过程阶梯图。
< 功 率 半 导 体 器 件 发 展 阶 段 示 意 >