采用新型半导体材料制造的新型功率器件

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采用新型半导体材料制造的新型功率器件 [复制链接]

至今，硅材料功率器件已发展得相当成熟。为了进一步实现人们对理想功率器件特性的追求，越来越多的功率器件研究工作转向了对用新型半导体材料制作新型半导体功率器件的探求。研究表明，砷化镓FET和肖特基整流器可以获得十分优越的技术性能。Collins et al公司 用GaAs VFETs制成了10MHz PWM变换器，其功率密度高达500W/in3。高压（600V）砷化镓高频整流二极管近年来也有所突破，SiC材料和功率器件的研究工作十分活跃。

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　　1．高压砷化镓高频整流二极管

　　随着变换器开关频率的不断提高，对快恢复二极管的要求也随之提高。众所周知，砷化镓二极管具有比硅二极管优越的高频开关特性，但是由于工艺技术等方面的原因，砷化镓二极管的耐压较低，实际应用受到局限。为适应高压、高速、高效率和低EMI应用需要，高压砷化镓高频整流二极管已在Motorola 公司研制成功。与硅快恢复二极管相比，这种新型二极管的显著特点是：反向漏电流随温度变化小、开关损耗低、反向恢复特性好。

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　　●碳化硅与碳化硅 ( SiC ) 功率器件

　　在用新型半导体材料制成的功率器件中，最有希望的是碳化硅 ( SiC ) 功率器件。它的性能指标比砷化镓器件还要高一个数量级，碳化硅与其他半导体材料相比，具有下列优异的物理特点: 高的禁带宽度，高的饱和电子漂移速度，高的击穿强度，低的介电常数和高的热导率。上述这些优异的物理特性,决定了碳化硅在高温、高频率、高功率的应用场合是极为理想的半导体材料。在同样的耐压和电流条件下，SiC器件的漂移区电阻要比硅低200倍，即使高耐压的 SiC场效应管的导通压降，也比单极型、双极型硅器件的低得多。而且，SiC器件的开关时间可达10nS量级，并具有十分优越的 FBSOA。

　　SiC可以用来制造射频和微波功率器件，各种高频整流器，MESFETS、MOSFETS和JFETS等。SiC高频功率器件已在Motorola公司研发成功，并应用于微波和射频装置。GE公司正在开发SiC功率器件和高温器件(包括用于喷气式引擎的传感器)。西屋公司已经制造出了在26GHz频率下工作的甚高频的MESFET。ABB公司正在研制高功率、高电压的SiC整流器和其他SiC低频功率器件，用于工业和电力系统。

　　理论分析表明，SiC功率器件非常接近于理想的功率器件。可以预见，各种SiC器件的研究与开发，必将成为功率器件研究领域的主要潮流之一。但是， SiC材料和功率器件的机理、理论、制造工艺均有大量问题需要解决，它们要真正给电力电子技术领域带来又一次革命，估计至少还需要十几年的时间。

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　　经过人们的不懈努力，虽然硅双极型及场控型功率器件的研究已趋成熟，但是它们的性能仍在不断得到提高和改善，近年来出现的IGCT和IEGT可望比 MCT更早地取代GTO。采用GaAs，碳化硅等新型半导体材料制成功率器件，实现人们对“理想器件”的追求，将是下个世纪电力电子器件发展的主要趋势。