功率器件更加智能,高能效功率电子技术新进展

随着时间的推移,功率晶体管技术得到了持续的改善。器件的体积不断缩小,功率密度越来越高。在电压高于1 kV的大功率晶体管方面,双极结构已成为首选;低于1 kV电压,特别是频率高于100 kHz时,更多采用的是MOSFET。高于此电压的大电流应用则选择IGBT。

  工艺与材料的创新

  随着时间的推移,功率晶体管技术得到了持续的改善。器件的体积不断缩小,功率密度越来越高。在电压高于1 kV的大功率晶体管方面,双极结构已成为首选;低于1 kV电压,特别是频率高于100 kHz时,更多采用的是MOSFET。高于此电压的大电流应用则选择IGBT。

  开发这类器件的主要挑战在于,在开关频率持续上升时,需要通过减小由导通阻抗导致的导电损耗、降低内部电容,以及改善反向恢复性能,将内部损耗降到最低。由于击穿电压更高及未钳位开关特性(UIS)的缘故,提升击穿强固性也非常重要。

  以往,开发电压低于40 V的低压MOSFET的重点在于,给定导通阻抗条件下将裸片尺寸减至最小,从而降低单位成本。因此,最重要的质量因子(Figure of Merit, FOM)就是单位为mΩ x mm2的特征导通阻抗(RDS(ON)spec)。由于低压FET中沟道阻抗(channel resistance)对特征导通阻抗有较大影响,业界主要致力于在可用面积上配置尽可能多的FET沟道。平面沟道被垂直“沟槽门”沟道替代,同时使用先进的光刻技术来缩小表面尺寸。

  但是,减小沟槽FET间距的方法并不能轻松达到采用RDS(ON)xQg(d)定义的关键质量因子,因为单位面积上的导通阻抗方面的改进被单位面积门电荷(Qg)增加所抵消。因此,开发就转向了诸如沟槽FET(带有额外解耦垂直场效电板从漏极屏蔽门极)、沟槽LDMOS(结合了沟槽MOS的紧凑性及背面漏极与LDMOS的较低Qg(d)),以及优化了金属化/封装的LDMOS等架构。

  虽然多年来基于硅的晶体管有了持续改进,但硅基材料特性上的限制表明,未来十年人们还需要寻求其它可用方案。目前,利用宽带隙材料(氮化镓、碳化硅及钻石)的方案已经出现。这些材料可以提供更好的热特性,开关损耗更低,而且结合了更有吸引力的低导通阻抗(RDS(ON))和高击穿电压(VBD)性能的优势。

  宽带隙材料也可以在高压应用中实现重大突破。氮化镓和碳化硅的临界击穿场的数量级高于硅,迄今发布的器件也具有热导率更高(比硅高约3倍)的优势。在高于1 kV的应用中碳化硅是首选材料,而氮化镓则最适于电压低于1 kV的应用。然而,仍然需要克服一些技术障碍,如增加硅上厚氮化镓层以提供高额定电压、制造增强模式晶体管及提升可靠性等。预计未来几年,首批高压氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)就会上市。

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