【導讀】功率半導體是起到對電氣和電子設備運行所需的電力進行管理、控制和轉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設備穩(wěn)定提供驅動電力的電源電路、無浪費地傳輸和分配電力的電力轉換電路以及通過可自由控制的扭矩和轉速高效率地驅動電機的電路等。
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備實現(xiàn)電氣化，降低家用電器、IT設備和工業(yè)電機等現(xiàn)有設備的功耗等等。隨著越來越多的脫碳舉措得到實施，有一個半導體領域的技術創(chuàng)新正在迅速加速。它就是功率半導體。
各個國家和地區(qū)已經開始將碳定價機制作為制度引入，以將與業(yè)務活動相關的溫室氣體排放轉嫁到成本。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)經營的成績單——財務報表也會產生明顯的數(shù)字影響。
脫碳舉措對電子行業(yè)產生深遠的影響，催生出勢不可擋的新一輪半導體技術更替和成長，特別是在功率半導體領域，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備運行所需的電力進行管理、控制和轉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設備穩(wěn)定提供驅動電力的電源電路、無浪費地傳輸和分配電力的電力轉換電路以及通過可自由控制的扭矩和轉速高效率地驅動電機的電路等。
功率半導體有MOSFET、IGBT、二極管等各種元件結構，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構的晶體管。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。
盡管結構不同，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構的特性。
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備功耗所需的高水平技術要求。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和二極管已經實現(xiàn)了產品化，并已用于電動汽車電機驅動逆變器和太陽能發(fā)電功率調節(jié)器中的DC/AC轉換器等。
基于GaN的HEMT（High Electron Mobility Transistor）也已實現(xiàn)產品化。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的半導體并誘導高遷移率電子來實現(xiàn)高速開關。目前，氮化鎵HEMT已用于超小型PC的AC轉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的特性，可以提高功率電子電路的開關頻率（動作頻率）。在動作頻率較高的電路中，電路中內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的電源會產生高水平的噪聲，這可能會對周邊設備的動作產生不利影響。采用SiC或GaN功率半導體構建的電源在更高頻率下進行開關，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，并且已經投入市場。
不僅關注功率半導體，關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)滿足新技術要求的新元件。
按元件材料和結構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注。
文章來源：Murata村田中國
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