隨著越來越多的脫碳舉措得到實(shí)施,有一個(gè)半導(dǎo)體領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新正在迅速加速?它就是功率半導(dǎo)體?世界各國(guó)政府以及各行各業(yè)的企業(yè)正在共同努力,推進(jìn)邁向碳中和的舉措?人們正在從能夠想到的多個(gè)角度實(shí)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(shí)現(xiàn)電氣化,降低家用電器?IT設(shè)備和工業(yè)電機(jī)等現(xiàn)有設(shè)備的功耗等等?
個(gè)國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)開始將碳定價(jià)機(jī)制作為制度引入,以將與業(yè)務(wù)活動(dòng)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(huì)做貢獻(xiàn)的重要意義,而且會(huì)對(duì)企業(yè)經(jīng)營(yíng)的成績(jī)單——財(cái)務(wù)報(bào)表也會(huì)產(chǎn)生明顯的數(shù)字影響?
脫碳舉措對(duì)電子行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,催生出勢(shì)不可擋的新一輪半導(dǎo)體技術(shù)更替和成長(zhǎng),特別是在功率半導(dǎo)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(shí)隔半個(gè)世紀(jì),半導(dǎo)體材料正面臨全面變革!
進(jìn)一步降低功耗,硅基器件遭遇瓶頸
功率半導(dǎo)體是起到對(duì)電氣和電子設(shè)備運(yùn)行所需的電力進(jìn)行管理?控制和轉(zhuǎn)換作用的半導(dǎo)體元件?它被嵌入功率電子電路當(dāng)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(dòng)電力的電源電路?無浪費(fèi)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(dòng)電機(jī)的電路等?
功率半導(dǎo)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(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管是一種起到電氣開關(guān)作用的場(chǎng)效應(yīng)晶體管?它由3層組成:金屬?氧化物和半導(dǎo)體,通過向稱為柵極的電極施加電壓來進(jìn)行打開和關(guān)閉電流的動(dòng)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(diǎn)是同時(shí)具有MOSFET的高速動(dòng)作和雙極晶體管的高耐電壓?低導(dǎo)通電阻的特點(diǎn)?
盡管結(jié)構(gòu)不同,半個(gè)多世紀(jì)以來一直使用硅(Si)作為元件材料?這是因?yàn)镾i具有良好的電氣特性,同時(shí)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(dǎo)體已無法滿足進(jìn)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(dǎo)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(kuò)大?
功率半導(dǎo)體作為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展社會(huì)的關(guān)鍵器件,目前已經(jīng)開始了時(shí)隔半個(gè)世紀(jì)的完全模式變革?
SiC和GaN在擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度(影響耐電壓)?遷移率(影響動(dòng)作速度)和熱導(dǎo)率(影響可靠性)等多個(gè)物理特性上具有適合功率半導(dǎo)體的特點(diǎn)?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(dǎo)體?
今天,基于SiC的MOSFET和二極管已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化,并已用于電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化?HEMT是一種高電子遷移率的場(chǎng)效應(yīng)晶體管,能通過連接不同性質(zhì)的半導(dǎo)體并誘導(dǎo)高遷移率電子來實(shí)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(jī)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(dǎo)體的潛力?這是因?yàn)榻M成電力電子電路的其他半導(dǎo)體IC?無源元件甚至控制軟件都是在以使用Si基功率半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體的AC/DC轉(zhuǎn)換器(用于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器等)電路示例
例如,在采用了為降低數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的功耗而引進(jìn)的GaN HEMT的AC/DC 轉(zhuǎn)換器電路中,使用了多個(gè)GaN HEMT(上圖)?
利用GaN HEMT可以在高電壓時(shí)進(jìn)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(dòng)作頻率)?在動(dòng)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(hào)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(dòng)電動(dòng)汽車的電機(jī)的逆變器電路等當(dāng)中也可以通過引入SiC MOSFET實(shí)現(xiàn)周邊元件小型化,進(jìn)而實(shí)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(shí)進(jìn)行高速開關(guān)的電源會(huì)產(chǎn)生高水平的噪聲,這可能會(huì)對(duì)周邊設(shè)備的動(dòng)作產(chǎn)生不利影響?采用SiC或GaN功率半導(dǎo)體構(gòu)建的電源在更高頻率下進(jìn)行開關(guān),所以進(jìn)一步增加了風(fēng)險(xiǎn)?因此,需要比使用以前的電力電子電路時(shí)更加嚴(yán)格的噪聲對(duì)策?在這種情況下,需要使用設(shè)計(jì)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(duì)于在無源元件當(dāng)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?現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出了以使用基于SiC和GaN的功率半導(dǎo)體為前提的薄型平面變壓器等,并且已經(jīng)投入市場(chǎng)?
不僅關(guān)注功率半導(dǎo)體,關(guān)注周邊元件的進(jìn)步同樣重要!
迄今為止,多種類型的半導(dǎo)體(不僅僅是功率半導(dǎo)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(rèn)是以與Si基半導(dǎo)體組合使用為前提進(jìn)行開發(fā)的?為了充分發(fā)揮采用新材料制成的功率半導(dǎo)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(dǎo)體分布
一般來說,在Si基功率半導(dǎo)體中,呈現(xiàn)可以應(yīng)對(duì)更高電壓和更大電流的元件的動(dòng)作速度更低的趨勢(shì)(上圖)?因此,能夠應(yīng)對(duì)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(dǎo)體當(dāng)中,有將散熱系統(tǒng)簡(jiǎn)化以減小尺寸和重量并降低成本的趨勢(shì)?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?
