半导体发展历程简述

芯达人

半导体时代开启

1957年，美国通用电气企业，第一个晶闸管出现，标志着电力电子技术的诞生，正式进入了电力电子技术阶段，也就是第一代电力电子器件稳步发展的开始。

第一代电力电子器件就是以晶闸管为代表，主要用于相控电路。这些电路十分广泛地用在电解、电镀、直流电机传动、发电机励磁等整流装置中，与传统的汞弧整流装置相比，不仅体积小、工作可靠，而且取得了十分明显的节能效果，因此电力电子技术的发展也越来越受到人们的重视，已普遍应用于变频调速、开关电源、静止变频等电力电子装置中。

但是由于第一代电力电子器件通过其门极只能控制其导通，不能控制其关断，所以只能是半控型器件。半控型器件在直流供电场合，要实现关断必须另加电感、电容和其他辅助开关器件组成强迫换流电路，这样造成的缺点是：变流装置整机体积增大，重量增加、效率降低，并且工作频率一般低于400Hz。

快速发展时期

1970年代后期，门极可关断晶闸管GTO、电力双极型晶体管BJT、电力场效应晶体管功率MOSFET为代表的全控型器件迅速发展，第二代电力电子器件应运而生，其工作频率达到兆赫级。集成电路的技术促进了器件的小型化和功能化。这些新成就为发展高频电力电子技术提供了条件，推动电力电子装置朝着智能化、高频化的方向发展。

第二代电力电子器件就实现了既能被控制导通，也能控制关断的全控型器件，使得各类电力电子变换电路及控制系统开始不断涌现，如直流高频斩波电路、软开关谐振电路、脉宽调制电路等。一直沿用于今天的各种常见电源上，跨入全控器件快速发展阶段。

1980年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）集合了MOSFET的驱动功率小、开关速度快和BJT通态压降小、载流能力大的优点，成为现代电力电子技术的主要器件；在中低频大功率电源中占重要地位。20世纪90年代，智能功率模块使功率器件的发展向大功率、高频化、高效率跨向一大步。

从发展历程看，功率半导体器件先后经历了：全盛于六七十年代的传统晶闸管、近二十年发展起来的功率MOSFET及其相关器件，以及由前两类器件发展起来的特大功率半导体器件，它们分别代表了不同时期功率半导体器件的技术发展进程。

概括来说，功率半导体器件主要有功率模组、功率集成电路（即Power IC，简写为PIC，又称为功率IC）和分立器件三大类；其中，功率模组是将多个分立功率半导体器件进行模块化封装；功率IC对应将分立功率半导体器件与驱动/控制/保护/接口/监测等外围电路集成；而分立功率半导体器件则是功率模块与功率IC的关键。

这些功率器件在各自不同的领域发挥着各自重要的作用。按照导通、关断的受控情况可分为不可控、半控和全控型器件，按照载流子导电情况可分为双极型、单极型和复合型器件，按照控制信号情况，可以分为电流驱动型和电压驱动型器件，根据它们的这些结构和特点应用领域也不完全相同。

功率半导体器件又可根据对电路信号的可控程度分为全控型、半控型及不可控型；或按驱动电路信号性质分为电压驱动型、电流驱动型等划分类别。

不同功率半导体器件，其承受电压、电流容量、阻抗能力、体积大小等特性也会不同，实际使用中，需要根据不同领域、不同需求来选用合适的器件。

随着技术的不断进步，功率半导体器件在不断演进。自上世纪80年代起，功率半导体器件MOSFET、IGBT和功率集成电路逐步成为了主流应用类型。

其中IGBT经历了器件纵向结构、栅极结构以及硅片加工工艺等7次技术演进，目前可承受电压能力从第四代的3000V跃升到了第七代的6500V，并且实现了高频化（10-100kHz）应用。

作为电能/功率处理的核心器件，功率半导体器件主要用于电力设备的电能变换和电路控制，更是弱电控制与强电运行之间的沟通桥梁，主要作用是变频、变压、变流、功率放大和功率管理，对设备正常运行起到关键作用。

与此同时，功率半导体器件还具有绿色节能功能，被广泛应用于几乎所有的电子制造业，目前正从传统工业制造和4C产业向新能源、电力机车、智能电网等领域发展。

另外，不同的细分领域，对功率半导体器件的电压承受能力要求也不一样，以IGBT为例，消费电子电压一般在600V以下，太阳能逆变器及新能源汽车要求在600V-1200V，而轨道交通要求最高，范围在3300V-6500V之间，具体以实际应用中的需求为准，可灵活变动。

目前，国际电力电子市场以年均15%的速度增长，电力电子器件的主要供应商集中在美国、日本以及欧洲，如通用电器、东芝、英飞凌等。而且以硅基功率MOSFET和IGBT为代表的场控型器件占据国际市场的主导地位，其中IGBT更是有高达30%的年均增长率。而SiC和GaN等新型材料电力电子器件，受到时间、技术成熟度和成本的制约，尚处于市场开拓初期，但前景不可小觑。