一、功率半導體到底是什么

我們從功率半導體的基本定義開始介紹，后續章節再慢慢展開，

關于“Power”的含義

Power所說的“功率”，意思其實是“電力”。英語中，發電廠稱為“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的意思。而所謂功率半導體，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，也就是傳統的“機械控制”，很容易隨著年代久遠而產生故障。那么什么是“電力轉換”?這個問題將在后面解釋。

近年來，大家可能常常聽到“半導體產能不足”這樣的新聞，其中提到了“半導體’這個術語。“半導體”是一個與固體導電性相關的專業術語，同時也包含了半導體產品半導體器件的意思。因此，“半導體產能不足”其實是指“半導體產品、半導體器件”產能不足。半導體產業就是像下圖那樣，包含了半導體材料、半導體制造設備、半導體制造工藝、半導體產品、應用產品等，從上游到下游連成的一個整體，是電子信息產業不可缺少的組成部分。

功率半導體與普通半導體器件的明顯區別

功率半導體與普通半導體器件的區別:一方面，像前面所說的，功率半導體是專用于實現“電力”轉換的裝置，而普通半導體一般處理“信號”的轉換和傳輸；另一方面功率半導體的工作電流遠遠大于普通半導體器件。半導體器件究竟是如何分類的，這個問題會在后面說明。因此，我們以生產一個半導體晶體管為例，功率晶體管和普通的晶體管，其基本構造、制造工藝到基礎材料，包括生產企業都是不一樣的。

半導體產業與汽車產業的比較

半導體產業與汽車產業有一定的可比性，有共同點，也有不同點，如下圖所示。共同點是:汽車的產品，從跑車到卡車，種類繁多，而半導體產業也是如此，其制造方法、生產企業也是百花齊放。

二、把功率半導體比作人的身體

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

功率半導體的作用

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

在一些入門書籍或者講座中，常常把半導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。內部含有一枚CPU(CentralProcessing Unit，中央處理器)，負責計算機中的運算和數據處理。）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;太陽能電池可以產生能量(嚴格地說，只是將太陽能轉換為電能)，可以比作食道、腸胃之類的消化器官為人體提供營養。做了這樣的類比，我們就比較容易理解。

那么功率半導體又如何呢?可能有人會聯想到手腳上的肌肉，但實際上功率半導體本身并不能運動。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。而功率半導體是為這些裝置供應電力或進行控制的，因此應該將其比作血管或神經才更合適。如下如所示。

什么是“電力轉換”

功率半導體的作用，用一句話來概括，就是前文所說的“電力轉換”。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，將它們互相轉換，就叫作“電力轉換”

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

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

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

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

功率半導體相比于其他半導體器件，比較不為人知。比如用于圖像處理的大規模集成電路，它們所起到的作用人們可以很直觀地看到。而用于電力轉換的功率器件，人們無法直接感知。功率半導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，在半導體的不同領域中具體表示的也可能是不同的意思。比如數字電路中的一種基本門電路“非門”，英文也是 Inverter。

三、身邊的功率半導體

這部分將舉出一些人們日常生活中用到的功率半導體的案例，為了兼顧功率半導體的整體，會舉出各種例子來發現它們的共同特征。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想到發電廠、輸電線上流過的巨大電流。電力表示單位時間內電的能量，物理學中叫作“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換器件的功率半導體，為什么需要那么大的電壓和電流了。

那么功率半導體在我們的家庭里，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體。本內容中所列舉的數據，都是按照日本的標準來說的。一一般來說，從電網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生放電現象，將電能轉換為了光能。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，其實發生了 100~120次“開”和“關”的動作，因而造成了閃爍的感覺。后來“逆變器”被應用到了日光燈上，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，在這個過程中發生了兩次電力轉換: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鍵作用的就是功率半導體。

把最初固定電壓、固定頻率的交流電經過整流電路轉換為直流電，電壓可以根據實際需要來控制。更重要的是，直流電可以經過逆變器的作用，轉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，空調也是用逆變器來控制的。的確，現代的空調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，根據環境的溫度，來調整空調壓縮機(Compressor)中電動機的轉速，以此來達到節能的目的。電動機轉速越高，溫度變化就越快;電動機轉速越低，溫度變化就越慢。在沒有使用逆變器控制以前，老式空調的電動機只有開(on)和關(off)兩檔，一旦打開，轉速就是固定的，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，從而實現了節能。下圖簡單地畫出了這種結構示意圖。沒有逆變器的老式空調機，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機，溫度變化用黑色曲線來表示。不難看出，黑色曲線所對應的溫度調整更加平穩。

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

這就是功率半導體在我們日常生活中發揮作用的兩個例子。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商用交流電經過整流電路變為直流電，并調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線繞制而成的。變壓器的作用就是把商業用電的高電壓轉換為計算機所需的低電壓。

四、電子信息產業中功率半導體的定位

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

電子產品

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

可實現高速開關的半導體器件

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

在物理學中，一種固體如果能導電(電流能在其中通過)，就稱為導體，例如金屬:如果不能導電(電流無法在其中通過)，就稱為絕緣體，例如塑料;而半導體則是介于導體和絕緣體之間的一類固體，如下圖所示。半導體在一般情況下不導電，但是在某些情況下就變得可以導電。后面將會詳述，可以通過外部的電信號來控制半導體的導電性，使其導電或不導電。導電性可以人為控制，這是半導體的一個特性。換句話說，半導體可以使電流時而流通，時而不流通(不流通就叫作截止)。這樣半導體就相當于一個開關，并且這個開關可以在開和關兩個狀態之間實現每秒上萬次的高速切換。我們生活中常見的機械開關，是無法進行這樣的高速開關的。這種高速開關的能力是半導體所獨有的，尤其是對于功率半導體來說，這個能力非常重要。

總結起來，我們明白了半導體器件可以在電信號的控制之下，實現開關以及其他動作。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、半導體器件中的功率半導體

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

半導體器件與時代潮流

集成電路才剛剛出現，在印象中，晶體管是那個時代半導體器件的主流。兩根管腳的罐頭形晶體管和三根管腳的塑料封裝晶體管，是當時身邊常見的半導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:“我是做半導體相關工作的。”結果對方非常仰慕:“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。后來的談話內容已經記不清了，但這樣的談話反映出了人們對半導體的普遍認知。當時社會上到處有 Intel Inside 或者英特爾的廣告，所以“半導體=計算機’這樣一種理解深人人心。

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

功率半導體是無名英雄嗎

雖然半導體已經走進了我們生活的方方面面，但是要說其中的功率半導體這一分支有什么代表性的產品，卻怎么想也想不到。原因之一是像前文所說的，功率半導體總是在不顯眼的地方發揮作用。后面會說到，功率半導體在電力機車上用作電力轉換，只在一般人看不到的地方用得比較多。這就是功率半導體被稱為無名英雄的原因吧。最近HH(電磁感應加熱)電磁爐的熱賣，讓功率半導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換。圖中深色背景的就是功率半導體。功率半導體在如今的半導體市場中占有一成的比例。

半導體中的功率半導體

下圖中將半導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，功率半導體屬于分立半導體器件。不同于大規模集成電路(LSI)（LSI:Large Sealed Integraled circuit 的縮寫，意為大規模集成電路，在一個電路中至少含有1000個以上電子元件。）是由各種半導體器件組合而成，具有復雜的功能和大的記憶容量，分立半導體只是用來實現單一的功能，所以又稱為單功能器件。除了功率半導體以外，CCD之類的圖像傳感器，將圖像信號轉換為電信號，也屬于單功能器件。

在種類如此繁多的半導體器件中，功率半導體到底處于什么樣的定位呢?大規模集成電路(LSI)是用來處理信號的，功率半導體是處理電力的。提到電力我們會聯想到什么呢?現代人的生活中，電力作為最普遍的能源，是不可缺少的。沒有經歷過自然災害的人可能無法體會，但如果有誰經歷過因地震、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，電力已經和空氣、水一樣，支持著人類的生命。所以沒有功率半導體，就沒有我們如今的生活。

六、晶體管構造的差異

這里我們將比較普通晶體管和功率半導體晶體管的基本區別。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體人門書籍，都是以 MOS 晶體管為例來寫的。MOS晶體管的結構圖如下圖所示。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。假設電流或者說載流子(Carrier)的流動都限于圖中這個范圍內。大規模集成電路(LSI)中所用的 MOS 晶體管，主要在數字電路中實現信號轉換，在低電壓的控制下實現電路的開關操作。下圖所示的結構圖中，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:為了讓相鄰的器件之間不互相影響，在這里設置絕緣區域，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更加強調器件的構造，而MOS晶體管強調類別。）的結構就大大不同。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。大規模集成電路中的普通 MOSFET只需要實現小信號電流的開關，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作電流通路來使用。這是兩種 MOSFET的差異之一。由此帶來的結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在下圖中。總的來說，大家必須知道，兩者基本構成要素是一樣的，但具體構造是完全不同的。這些差異也會體現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造

常見的硅基半導體人門書籍中，講述 MOSFET的構造都會采用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構。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的結構，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則是這樣的結構:極是包圍著柵極的對柵極施加電壓的時候，其下方的FET(場效應管)進人on(開啟)的狀態，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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