半导体是我们生活中使用的电器里比较常用的一种器件，那么你对半导体有多少了解呢？半导体是什么？由哪些材料组成？有哪些应用？今天我们就从最基础的半导体功率器件入手，全面了解半导体的“前世今生”。

什么是半导体？

半导体：常温下导电性能介于导体（conductor）与绝缘体（insulator）之间的材料。

元素半导体：锗和硅是最常用的元素半导体；

化合物半导体：包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物（硫化镉、硫化锌等）、氧化物（锰、铬、铁、铜的氧化物）,以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。

硅实物图仅供参考

常见的几种功率半导体器件：

1、MCT（MOSControlledThyristor）：MOS控制晶闸管

MCT是一种新型MOS与双极复合型器件。如图所示。MCT是将MOSFET的高阻抗、低驱动图MCT的功率、快开关速度的特性与晶闸管的高压、大电流特型结合在一起，形成大功率、高压、快速全控型器件。实质上MCT是一个MOS门极控制的晶闸管。它可在门极上加一窄脉冲使其导通或关断，它由无数单胞并联而成。

2、IGCT（IntergratedGateCommutatedThyristors）

IGCT是在晶闸管技术的基础上结合IGBT和GTO等技术开发的新型器件，适用于高压大容量变频系统中，是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。

IGCT是将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点。在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。IGCT芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器功率0．5～3MW，三电平逆变器1～6MW；若反向二极管分离，不与IGCT集成在一起，二电平逆变器功率可扩至4／5MW，三电平扩至9MW。

3、IEGT（InjectionEnhancedGateTransistor）电子注入增强栅晶体管

IEGT是耐压达4kV以上的IGBT系列电力电子器件，通过采取增强注入的结构实现了低通态电压，使大容量电力电子器件取得了飞跃性的发展。IEGT具有作为MOS系列电力电子器件的潜在发展前景，具有低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动智能化等特点，以及采用沟槽结构和多芯片并联而自均流的特性，使其在进一步扩大电流容量方面颇具潜力。另外，通过模块封装方式还可提供众多派生产品，在大、中容量变换器应用中被寄予厚望。

4、IPEM（IntergratedPowerElactronicsModules）：集成电力电子模块

IPEM是将电力电子装置的诸多器件集成在一起的模块。它首先是将半导体器件MOSFET，IGBT或MCT与二极管的芯片封装在一起组成一个积木单元，然后将这些积木单元迭装到开孔的高电导率的绝缘陶瓷衬底上，在它的下面依次是铜基板、氧化铍瓷片和散热片。在积木单元的上部，则通过表面贴装将控制电路、门极驱动、电流和温度传感器以及保护电路集成在一个薄绝缘层上。

IPEM实现了电力电子技术的智能化和模块化，大大降低了电路接线电感、系统噪声和寄生振荡，提高了系统效率及可靠性。

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5、PEBB（PowerElectricBuildingBlock）

电力电子积木PEBB（PowerElectricBuildingBlock）是在IPEM的基础上发展起来的可处理电能集成的器件或模块。PEBB并不是一种特定的半导体器件，它是依照最优的电路结构和系统结构设计的不同器件和技术的集成。典型的PEBB上图所示。虽然它看起来很像功率半导体模块，但PEBB除了包括功率半导体器件外，还包括门极驱动电路、电平转换、传感器、保护电路、电源和无源器件。PEBB有能量接口和通讯接口。通过这两种接口，几个PEBB可以组成电力电子系统。这些系统可以像小型的DC－DC转换器一样简单，也可以像大型的分布式电力系统那样复杂。

一个系统中，PEBB的数量可以从一个到任意多个。多个PEBB模块一起工作可以完成电压转换、能量的储存和转换、阴抗匹配等系统级功能，PEBB最重要的特点就是其通用性。

6、超大功率晶闸管

晶闸管（SCR）自问世以来，其功率容量提高了近倍。现在许多国家已能稳定生产8kV／4kA的晶闸管。日本现在已投产8kV／4kA和6kV／6kA的光触发晶闸管（LTT），美国和欧洲主要生产电触发晶闸管。

近十几年来，由于自关断器件的飞速发展，晶闸管的应用领域有所缩小，但是，由于它的高电压、大电流特性，它在HVDC、静止无功补偿（SVC）、大功率直流电源及超大功率和高压变频调速应用方面仍占有十分重要的地位。预计在今后若干年内，晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。

现在，许多生产商可提供额定开关功率36MVA（6kV／6kA）用的高压大电流GTO。到目前为止，在高压（VBR》3．3kV）、大功率（0．5～20MVA）牵引、工业和电力逆变器中应用得最为普遍的是门控功率半导体器件。

目前，GTO的最高研究水平为6in、6kV／6kA以及9kV／10kA。为了满足电力系统对1GVA以上的三相逆变功率电压源的需要，近期很有可能开发出10kA／12kV的GTO，并有可能解决30多个高压GTO串联的技术，可望使电力电子技术在电力系统中的应用方面再上一个台阶。

7、脉冲功率闭合开关晶闸管

该器件特别适用于传送极强的峰值功率（数MW）、极短的持续时间（数ns）的放电闭合开关应用场合，如：激光器、高强度照明、放电点火、电磁发射器和雷达调制器等。该器件能在数kV的高压下快速开通，不需要放电电极，具有很长的使用寿命，体积小、价格比较低，可望取代目前尚在应用的高压离子闸流管、引燃管、火花间隙开关或真空开关等。

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8、新型GTO器件－集成门极换流晶闸管

当前已有两种常规GTO的替代品：高功率的IGBT模块、新型GTO派生器件－集成门极换流IGCT晶闸管。IGCT晶闸管是一种新型的大功率器件，与常规GTO晶闸管相比，它具有许多优良的特性，例如，不用缓冲电路能实现可靠关断、存贮时间短、开通能力强、关断门极电荷少和应用系统（包括所有器件和外围部件如阳极电抗器和缓冲电容器等）总的功率损耗低等。

半导体发展历程：

半导体时代开启

年，美国通用电气公司，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Hz。

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快速发展时期

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。

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。

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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PowerIC，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。

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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V跃升到了第七代的V，并且实现了高频化（10-kHz）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V以下，太阳能逆变器及新能源汽车要求在V-V，而轨道交通要求最高，范围在V-V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。

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