半導體是我們生活中使用的電器裡比較常用的一種器件，那麼你對半導體有多少了解呢？半導體是什麼？由哪些材料組成？有哪些應用？今天我們就從最基礎的半導體功率器件入手，全面瞭解半導體的“前世今生”。

什麼是半導體？

半導體：

常溫下導電效能介於導體（conductor）與絕緣體（insulator）之間的材料。

元素半導體：

鍺和矽是最常用的元素半導體；

化合物半導體：

包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物（砷化鎵、磷化鎵等）、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物（ 硫化鎘、硫化鋅等）、氧化物（錳、鉻、鐵、銅的氧化物），以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物組成的固溶體（鎵鋁砷、鎵砷磷等）。

（矽實物圖 僅供參考）

常見的幾種功率半導體器件：

1、MCT（MOS Controlled Thyristor）：MOS控制閘流體

MCT是一種新型MOS與雙極複合型器件。如圖所示。MCT是將MOSFET的高阻抗、低驅動圖MCT的功率、快開關速度的特性與閘流體的高壓、大電流特型結合在一起，形成大功率、高壓、快速全控型器件。實質上MCT是一個MOS門極控制的閘流體。它可在門極上加一窄脈衝使其導通或關斷，它由無數單胞並聯而成。

2、IGCT（Intergrated Gate Commutated Thyristors）

IGCT是在閘流體技術的基礎上結合IGBT和GTO等技術開發的新型器件，適用於高壓大容量變頻系統中，是一種用於巨型電力電子成套裝置中的新型電力半導體器件。

IGCT是將GTO晶片與反並聯二極體和門極驅動電路整合在一起，再與其門極驅動器在外圍以低電感方式連線，結合了電晶體的穩定關斷能力和閘流體低通態損耗的優點。在導通階段發揮閘流體的效能，關斷階段呈現電晶體的特性。IGCT晶片在不串不併的情況下，二電平逆變器功率0．5～3MW，三電平逆變器1～6MW；若反向二極體分離，不與IGCT整合在一起，二電平逆變器功率可擴至4／5MW，三電平擴至9MW。

3、IEGT（Injection Enhanced Gate Transistor）電子注入增強柵電晶體

IEGT是耐壓達4kV以上的IGBT系列電力電子器件，透過採取增強注入的結構實現了低通態電壓，使大容量電力電子器件取得了飛躍性的發展。IEGT具有作為MOS系列電力電子器件的潛在發展前景，具有低損耗、高速動作、高耐壓、有源柵驅動智慧化等特點，以及採用溝槽結構和多晶片並聯而自均流的特性，使其在進一步擴大電流容量方面頗具潛力。另外，透過模組封裝方式還可提供眾多派生產品，在大、中容量變換器應用中被寄予厚望。

4、IPEM（Intergrated Power Elactronics Modules）：整合電力電子模組

IPEM是將電力電子裝置的諸多器件整合在一起的模組。它首先是將半導體器件MOSFET，IGBT或MCT與二極體的晶片封裝在一起組成一個積木單元，然後將這些積木單元迭裝到開孔的高電導率的絕緣陶瓷襯底上，在它的下面依次是銅基板、氧化鈹瓷片和散熱片。在積木單元的上部，則透過表面貼裝將控制電路、門極驅動、電流和溫度感測器以及保護電路整合在一個薄絕緣層上。

IPEM實現了電力電子技術的智慧化和模組化，大大降低了電路接線電感、系統噪聲和寄生振盪，提高了系統效率及可靠性。

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5、PEBB（Power Electric Building Block）

電力電子積木PEBB（Power Electric Building Block）是在IPEM的基礎上發展起來的可處理電能整合的器件或模組。PEBB並不是一種特定的半導體器件，它是依照最優的電路結構和系統結構設計的不同器件和技術的整合。典型的PEBB上圖所示。雖然它看起來很像功率半導體模組，但PEBB除了包括功率半導體器件外，還包括門極驅動電路、電平轉換、感測器、保護電路、電源和無源器件。PEBB有能量介面和通訊介面。透過這兩種介面，幾個PEBB可以組成電力電子系統。這些系統可以像小型的DC－DC轉換器一樣簡單，也可以像大型的分散式電力系統那樣複雜。

一個系統中，PEBB的數量可以從一個到任意多個。多個PEBB模組一起工作可以完成電壓轉換、能量的儲存和轉換、陰抗匹配等系統級功能，PEBB最重要的特點就是其通用性。

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6、超大功率閘流體

閘流體（SCR）自問世以來，其功率容量提高了近3000倍。現在許多國家已能穩定生產8kV／4kA的閘流體。日本現在已投產8kV／4kA和6kV／6kA的光觸發閘流體（LTT），美國和歐洲主要生產電觸發閘流體。

近十幾年來，由於自關斷器件的飛速發展，閘流體的應用領域有所縮小，但是，由於它的高電壓、大電流特性，它在HVDC、靜止無功補償（SVC）、大功率直流電源及超大功率和高壓變頻調速應用方面仍佔有十分重要的地位。預計在今後若干年內，閘流體仍將在高電壓、大電流應用場合得到繼續發展。

現在，許多生產商可提供額定開關功率36MVA（6kV／6kA）用的高壓大電流GTO。到目前為止，在高壓（VBR》3．3kV）、大功率（0．5～20MVA）牽引、工業和電力逆變器中應用得最為普遍的是門控功率半導體器件。

目前，GTO的最高研究水平為6in、6kV／6kA以及9kV／10kA。為了滿足電力系統對1GVA以上的三相逆變功率電壓源的需要，近期很有可能開發出10kA／12kV的GTO，並有可能解決30多個高壓GTO串聯的技術，可望使電力電子技術在電力系統中的應用方面再上一個臺階。

7、脈衝功率閉合開關閘流體

該器件特別適用於傳送極強的峰值功率（數MW）、極短的持續時間（數ns）的放電閉合開關應用場合，如：鐳射器、高強度照明、放電點火、電磁發射器和雷達調製器等。該器件能在數kV的高壓下快速開通，不需要放電電極，具有很長的使用壽命，體積小、價格比較低，可望取代目前尚在應用的高壓離子閘流管、引燃管、火花間隙開關或真空開關等。

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8、新型GTO器件－整合門極換流閘流體

當前已有兩種常規GTO的替代品：高功率的IGBT模組、新型GTO派生器件－整合門極換流IGCT閘流體。IGCT閘流體是一種新型的大功率器件，與常規GTO閘流體相比，它具有許多優良的特性，例如，不用緩衝電路能實現可靠關斷、存貯時間短、開通能力強、關斷門極電荷少和應用系統（包括所有器件和外圍部件如陽極電抗器和緩衝電容器等）總的功率損耗低等。

半導體發展歷程：

半導體時代開啟

1957年，美國通用電氣公司，第一個閘流體出現，標誌著電力電子技術的誕生，正式進入了電力電子技術階段，也就是第一代電力電子器件穩步發展的開始。

第一代電力電子器件就是以閘流體為代表，主要用於相控電路。

這些電路十分廣泛地用在電解、電鍍、直流電機傳動、發電機勵磁等整流裝置中，與傳統的汞弧整流裝置相比，不僅體積小、工作可靠，而且取得了十分明顯的節能效果，因此電力電子技術的發展也越來越受到人們的重視，已普遍應用於變頻調速、開關電源、靜止變頻等電力電子裝置中。

但是由於第一代電力電子器件透過其門極只能控制其導通，不能控制其關斷，所以只能是半控型器件。半控型器件在直流供電場合，要實現關斷必須另加電感、電容和其他輔助開關器件組成強迫換流電路，這樣造成的缺點是：變流裝置整機體積增大，重量增加、效率降低，並且工作頻率一般低於400Hz。

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快速發展時期

1970年代後期，門極可關斷閘流體GTO、電力雙極型電晶體BJT、電力場效應電晶體功率MOSFET為代表的全控型器件迅速發展，第二代電力電子器件應運而生，其工作頻率達到兆赫級。積體電路的技術促進了器件的小型化和功能化。這些新成就為發展高頻電力電子技術提供了條件，推動電力電子裝置朝著智慧化、高頻化的方向發展。

第二代電力電子器件就實現了既能被控制導通，也能控制關斷的全控型器件，

使得各類電力電子變換電路及控制系統開始不斷湧現，如直流高頻斬波電路、軟開關諧振電路、脈寬調製電路等。一直沿用於今天的各種常見電源上，跨入全控器件快速發展階段。

1980年代後期，以絕緣柵極雙極型電晶體（IGBT）集合了MOSFET的驅動功率小、開關速度快和BJT通態壓降小、載流能力大的優點，成為現代電力電子技術的主要器件；在中低頻大功率電源中佔重要地位。20世紀90年代，智慧功率模組使功率器件的發展向大功率、高頻化、高效率跨向一大步。

從發展歷程看，功率半導體器件先後經歷了：全盛於六七十年代的傳統閘流體、近二十年發展起來的功率MOSFET及其相關器件，以及由前兩類器件發展起來的特大功率半導體器件，它們分別代表了不同時期功率半導體器件的技術發展程序。

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概括來說，功率半導體器件主要有功率模組、功率積體電路（即Power IC，簡寫為PIC，又稱為功率IC）和分立器件三大類；其中，功率模組是將多個分立功率半導體器件進行模組化封裝；功率IC對應將分立功率半導體器件與驅動/控制/保護/介面/監測等外圍電路整合；而分立功率半導體器件則是功率模組與功率IC的關鍵。

這些功率器件在各自不同的領域發揮著各自重要的作用。

按照導通、關斷的受控情況可分為不可控、半控和全控型器件，按照載流子導電情況可分為雙極型、單極型和複合型器件，按照控制訊號情況，可以分為電流驅動型和電壓驅動型器件，根據它們的這些結構和特點應用領域也不完全相同。

功率半導體器件又可根據對電路訊號的可控程度分為全控型、半控型及不可控型；或按驅動電路訊號性質分為電壓驅動型、電流驅動型等劃分類別。

不同功率半導體器件，其承受電壓、電流容量、阻抗能力、體積大小等特性也會不同，實際使用中，需要根據不同領域、不同需求來選用合適的器件。

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隨著技術的不斷進步，功率半導體器件在不斷演進。自上世紀80年代起，功率半導體器件MOSFET、IGBT和功率積體電路逐步成為了主流應用型別。

其中IGBT經歷了器件縱向結構、柵極結構以及矽片加工工藝等7次技術演進，目前可承受電壓能力從第四代的3000V躍升到了第七代的6500V，並且實現了高頻化（10-100kHz）應用。

作為電能/功率處理的核心器件，

功率半導體器件主要用於電力裝置的電能變換和電路控制，更是弱電控制與強電執行之間的溝通橋樑，主要作用是變頻、變壓、變流、功率放大和功率管理，對裝置正常執行起到關鍵作用。

與此同時，功率半導體器件還具有綠色節能功能，被廣泛應用於幾乎所有的電子製造業，目前正從傳統工業製造和4C產業向新能源、電力機車、智慧電網等領域發展。

另外，不同的細分領域，對功率半導體器件的電壓承受能力要求也不一樣，以IGBT為例，消費電子電壓一般在600V以下，太陽能逆變器及新能源汽車要求在600V-1200V，而軌道交通要求最高，範圍在3300V-6500V之間，具體以實際應用中的需求為準，可靈活變動。

目前，國際電力電子市場以年均15%的速度增長，電力電子器件的主要供應商集中在美國、日本以及歐洲，如通用電器、東芝、英飛凌等。而且以矽基功率MOSFET和IGBT為代表的場控型器件佔據國際市場的主導地位，其中IGBT更是有高達30%的年均增長率。而SiC和GaN等新型材料電力電子器件，受到時間、技術成熟度和成本的制約，尚處於市場開拓初期，但前景不可小覷。

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