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功率半导体发展方向

半导体发展总体目标: - 提高功率(电流,电压) - 降低半导体控制和开关时损耗 - 扩展工作温度的范围 - 提高使用寿命,稳定性和可靠性 - 在降低失误率的同时简化控制和保护电路 - 降低成本
发展的方向大致可分为: 半导体材料 - 新型的半导体材料(如宽带材料)
芯片技术 - 提高芯片可靠工作的温度和电流密度(减少面积) - 更精细结构(减少面积) - 新型的结构(性能改进) - 芯片上集成性能(例如,栅极电阻,温度测量,单片系统集成) - 根据功能组合新的单片器件(RC - IGBT,ESBT) - 提高芯片在气候影响下的性能稳定性
组合装配和连接技术(AVT) - 提高抗温度和负载变化的可靠性 - 改善散热效果(绝缘基板,基板,散热器) - 通过改善外壳和灌注材料和配方来提高抗气候变化的适应性 - 优化内部连接和外部配件布线 - 优化外形使安装更简便 - 降低成型成本,提高环保意识,提高回收再利用的可能性
集成化程度 - 提高功率模块的集成规模以降低系统成本 - 提高控制、监测和保护功能的集成 - 提高整个系统的集成
图 2.1.3显示了功率模块的不同集成层次
功率模块的不同集成层次
通过增加集成度,缩小结构和更精确控制使现在功率半导体的特性逐步接近半导体硅 材料的物理极限值。因此,从 50年代已经开始寻找新的替代材料,现在已有一大批新 材料被使用。
其中发展的重点是“宽能隙材料”,碳化硅(SiC)以及氮化镓(GaN),这些材料比硅 材料有更好的性能,比如更低的传导和开关损耗,更高耐热温度和更好的导热性。
表 2.1.1提供了主要材料的参数[文献 2],图 2.1.4显示了材料性质。
主要材料的参数
表 2.1.1提供了主要材料同硅材料的对比参数
不同的半导体材料物理参数
图 2.1.4不同的半导体材料物理参数[文献 3]
影响碳化硅推广的关键因素是生产成本,还有单晶片的质量和稳定性以及为半导体生 产所要求的最佳硅片的尺寸。质量上乘的直径 8“硅晶片生产成本只有 0.10€ / 平方厘 米,而 4“ 碳化硅晶片在存在很高的质量缺陷,并在大量订货时的价格是硅晶片的数 倍。氮化镓在性能方面比碳化硅略差,它主要是在光电设备中被使用。作为载体氮化 镓(石英玻璃,蓝宝石材料)不是导电体,它的元器件必须是一种平面结构。现在碳 化硅在肖基二极管中被广泛使用。
在电压<1000 V范围MOSFET和 IGBT由于硅高功率半导体的发展水平不需要引进其 他半导体材料。宽能隙半导体材料在此电压范围相比结型半导体材料,如 JFET(结型 场效应晶体管)、双极晶体管和晶闸管缺少竞争力,而在更高电压时MOS控制晶体管 等硅晶元器件显然更胜一筹。
使用宽能隙半导体材料主要是由于材料成本过高。只有在要求特别高的功率和极小的 损耗以及在特定温度、电压和频率等要求下,这时硅晶半导体材料不能满足要求,才 考虑使用宽能隙半导体材料的元器件。
SiC和GaN半导体相比传统的组件有下面主要优点,如 - 很低的控制和开关损耗 - 更高的阻断电压 - 更高的功率密度 - 更高的可靠工作温度 - 更短的响应时间,更高的开关频率
为了达到这样的效果,在组装和连接技术必须将有相应的改进。
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