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三代半导体功率器件的特点与应用分析

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　三代半导体功率器件的特点与应用分析

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郑　新(南京电子技术研究所,　南京210013)【摘要】　以Si双极型功率晶体管为代表的第一代半导体功率器件和以GaAs场效应晶体管为代表的第二代半导体功率器件为雷达发射机的大规模固态化和可靠性提高做出了贡献。近年来以SiC场效应功率晶体管和GaN高电子迁移率功率晶体管为代表的第三代半导体--宽禁带半导体功率器件具有击穿电压高、功率密度高、输出功率高、工作效率高、工作频率高、瞬时带宽宽、适合在高温环境下工作和抗辐射能力强等优点。人们寄希望于宽禁带半导体功率器件来解决第一代、第二代功率器件的输出功率低、效率低和工作频率有局限性以至于无法满足现代雷达、电子对抗和通信等电子装备需求等方面的问题。文中简要介绍了半导体功率器件的发展背景、发展过程、分类、特点、应用、主要性能参数和几种常用的半导体功率器件;重点叙述了宽禁带半导体功率器件的特点、优势、研究进展和工程应用;对宽禁带半导体功率器件在新一代雷达中的应用前景和要求进行了探讨。【关键词】　宽禁带半导体;功率器件;雷达发射机中图分类号:TN72 文献标识码:A

CharacteristicsandApplicationAnalysisofSemiconductorPowerDevicesforThreeGenerationsZHENGXin(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,　Nanjing210013,China)

【Abstract】　ThesiliconbipolarpowertransistorandGaAsFET,whichrepresentthefirstgenerationandthesecondgenera2tionsemiconductorpowerdevicesrespectively,havemadesignficantcontributionxstolargescalesolidificationandreliabilityim2provementofradartransmitters.Inrecentyears,SiCFETpowertransistorandGaNhighelectronmovabilitypowertransistorrepre2sentthethirdgenerationsemiconductor-widebandgapsemiconductorpowerdevices,haveadvantagesofhighbreakdownvoltage,highpowerdensity,aswellashighoutputpower,highoperationefficiency,highoperationfrequency,wideinstantaneousband2width,operationinhightemperatureenvironmentandstrongabilityofresistingradiation.Itisexpectedthatthewidebandgapsem2iconductorpowerdeviceswouldresolvetheproblemsoflosoutputpower,lowefficiencyandlimitedoperationfrequencyoffirstandsecondgenerationpowerdeviceswhichcannogmeettheelectronicequipmentrequirementsofmodernradar,ECMandcommunica2tion.Thispaperintroducesbrieflythesemiconductorpowerdevicesdevelopmentbackground,developmentprocess,classification,characteristics,applications,mainperformanceparametersandseveralsemiconductorpowerdevicesincommonuse.Thecharac2teristics,advantages,stateofartstatusandengineeringapplicationsofwidebandgapsemiconductorpowerdevicesareemphasized.Theapplicationprospectandrequirementsofwidebandgapsemiconductorpowerdevicesinnextgenerationradararediscussedtoo.【Keywords】widebandgapsemiconductor;powerdevice;radartransmitter

0　引　言半导体器件发展和应用的几次飞跃都是与同时期几种半导体材料的出现密切相关。首先,Si可以说是半导体的源泉,第1代半导体的代表Si材料的发现使半导体在微电子领域的应用获得突破性进展,日用家电和计算机的广泛应用都应该归功于硅材料的出现。第2代半导体的代表GaAs材料的研究使半导体的应用进人光电子学领域,利用砷化镓材料及与其类似的一些化合物半导体,如InP、InGaP、AsGaP、AsGaIn、NaP等,制造出的发光二极管和半导体激光器在光通信和光信息处理等领域起到了不可替代的作用,由此也带来了VCD和多媒体等的飞速发展[1]。近年来第3代半导体———宽禁带半导体的代表SiC、GaN和金刚石等半导体的研究又一次使半导体在微电子领域和光电子学领域的应用获得了突破性进展。SiC,GaN,金刚石等宽禁带半导体材料具有优异的物理化学特性和潜在的技术优势,早在20世纪50

年代就已经被人们发现并开始研究,但由于工艺技术的限制,难以解决材料生产和晶片加工的问题,直到

01第30卷　第7期　2008年7月 现代雷达ModernRadar Vol.30　No.7July2008

3收稿日期:200820222220世纪80年代后SiC单晶生产技术和GaN异质结外延技术的突破,宽禁带半导体器件的研制和应用走进了迅猛的发展时代,人们利用SiC,GaN等材料开始制造微波功率器件、电力电子器件、蓝光激光器、紫外探测器和MEMS等器件。由于宽禁带半导体材料具有宽禁带、高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率、化学性能稳定、高硬度、抗磨损、高键和能量以及抗辐射等优点,所以特别适合于制造高温、高频、高功率、抗辐射的功率器件[2-3]。1　半导体功率器件的发展历程1.1　半导体功率器件的发展背景雷达发射机伴随着第二次世界大战初出现的第一批搜索雷达而诞生。当时英国人采用的是电真空三极管发射机,工作频率仅限于VHF和UHF频段。在随后的年代相继出现了速调管(美国Varian兄弟发明)、磁控管(英国人Randall和Boot发明)、行波管(奥地利人RudolphKompfiner博士发明)等付之实用的微波电子管,同时也促使发射机向微波频段不断发展。自20世纪40年代发明晶体管以来,微波功率晶体管的设计和制造水平不断提高,全固态雷达发射机应运而生。固态发射机的初期研制目的是为了去替代原有的电子管雷达发射机。如美国西屋公司(现称为诺斯鲁普・格鲁公司)在70年代开始研制,1983年投入使用的AN/SPS-40P波段二维舰载远程两坐标搜索空中警戒雷达,其中的高功率全固态雷达发射机就是用来替代原有的真空管雷达发射机。图1给出了功率器件的发展历程示意图。图1　功率器件的发展历程固态发射机虽然具有一系列优点,但想要全面替代电子管发射机是不现实的,特别是在微波频率高端、高峰值功率、窄脉冲和低工作比情况下,用固态发射机显得非常庞大,价格昂贵,目前还无法取代真空管发射机。但是,随着微波功率器件制造水平的不断提高和固态雷达发射技术的不断发展、完善,越来越多的固态雷达发射机去替代电子管雷达发射机成为了可能[4]。1.2　半导体功率器件的应用领域从20世纪70年代到今天,随着微波功率晶体管技术指标的日益提高,它的应用领域也不断扩展,从最初的军方需求牵引微波功率晶体管的起步发展阶段快速过渡到飞速发展阶段,呈现出20世纪80年代性能指标第一、价格第二的以雷达、通信等军事电子装备为主;20

世纪90年代价格第一、性能指标第二的以移动通信为代表的其他民用通信设备为主的态势。2000年以来出现市场饱和、周期震荡、未来没有大规模的新应用和器件生产商增多导致竞争日趋激烈的现象,出现这种现象的主要原因有2种:(1)传统器件性能指标没有大的提高和突破,微波功率晶体管的单管输出功率和工作频率有局限性,突出表现在高功率、高效率和高频率等方面与真空管器件相比逊色许多,满足不了现代雷达、电子对抗和通信等电子装备的需求。(2)电子装备采用微波功率晶体管的一次性投入经费高居不下,在很大程度上限制了广泛的应用领域。目前微波功率器件的应用主要集中在以下几个领域:

1)移动通信手机(GaAsHBT);2)移动通信基站(SiLDMOS、GaAsMESFET)(硅基GaN);

3)通信装备(SiLDMOS、GaAsMESFET、GaAsPHMET);4)雷达系统(SiBJT、GaAsMESFET、GaAsPHEMT)(GaN,SiC)。

雷达系统和通信装备功放相对占有较小的市场,

2006年全球用量不完全统计约为150000个功率管,通信卫星每年约需15000个功率管,从GaAs器件产业看,军用约占20%,但从电子装备的发展来看,雷达系统、电子对抗和通信装备的发展趋向于一体化和多功能系统集成设计,未来将对GaAs器件有相当大的需求。

2　半导体功率器件的简介2.1　半导体功率器件的分类、特点及应用第1代、第2代和第3代微波功率器件的发展历程主要是由半导体材料、器件制造工艺的推动和电子设备对器件的需求牵引而决定的。本节主要对常用的微波功率器件的特性作一个简要介绍。双极型微波功率晶体管(BJT),是电流控制器件,

导电机理是由多数载流子(电子)和少数载流子(空穴)共同完成,目前普遍采用硅芯片材料,具有外延层双扩散n2p2n平面结构,所以习惯上又称硅微波双极型功率晶体管。硅微波双极型功率晶体管是目前全固态雷达发射机中用得最多的器件,从短波波段、VHF

波段和P、L、S波段,直至工作频率为3.5GHz的功率管都可用于全固态雷达发射机。金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),是

11第7期郑　新:三代半导体功率器件的特点与应用分析

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半导体功率器件的特点

半导体功率器件的特点

半导体功率器件的特点常见的功率器件有：功率二极管、金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（电力电子行业“CPU”IGBT）、基材禁带宽度较高（大于2.3eV）的功率器件-宽禁带功率器件，他们的特点介绍如下：1、功率二极管：最简单的功率器件二极管是用半导体材料制成的具有单向导电性的二端器件，一般由P极和N极形成PN结结构，电流只能从P极流向N极。

二极管由电流驱动，无法自主控制通断，电流只能单向通过。

半导体二极管按应用领域不同可分为用于电力转换的功率二极管，主要为普通整流二极管、快恢复二极管（Fast Recovery Diode，FRD）、肖特基二极管（Schottky Barrier Diode，SBD）；用于显示用的发光二极管，如LED、OLED；用于将光信号转化成电信号的光电二极管等。

功率二极管是最简单的功率器件，利用其单向导电的特性，通常用于整流电路、稳压电路、开关电路、检波电路等。

1.1整流二极管是利用PN结的单向导电性，把电路中工频交流电转换成脉动直流电的一种二极管。

是结面积大、结电容大、工作频率较低，一般在几十千赫兹，为了可靠往往选用二极管的最大整流电流和最高反向工作电压要有2倍余量。

1.2开关二极管也是利用PN结的单向导电性而完成电流开关功能的一种二极管，当开关二极管加上一个较大的正脉冲信号时，进入导通状态，正向压降很小，正向电阻很低，相当一个闭合开关；当负脉冲到达时，进入截止状态，反向电阻很大，反向电流很小，相当一个断开的开关。

1.3稳压二极管是利用PN结反向击穿时电压基本不变，而电流可在很大范围内变化的特性制做的，它可以在一定电流变化范围内对电路起稳压作用。

1.4检波（也称解调）二极管是利用其单向导电性将高频或中频无线电信号中的低频信号或音频信号取出来，广泛应用于半导体收音机、收录机、电视机及通信等设备的小信号电路中，其工作频率较高，处理信号幅度较弱。

第三代半导体发展前景

第三代半导体发展前景

第三代半导体发展前景1. 背景介绍第三代半导体是指相对于目前主流的硅基半导体而言，采用了新型材料和器件结构的半导体技术。

目前，随着信息技术和智能化应用的不断发展，对于半导体材料和器件的性能需求也越来越高，第三代半导体因其在功耗、性能、稳定性等方面的优势逐渐受到重视，被认为是未来半导体产业的重要发展方向之一。

2. 第三代半导体的优势第三代半导体相比传统硅基半导体具有多方面优势： - 高频高速特性：第三代半导体材料如氮化镓、碳化硅等具有较高的电子迁移率和截止频率，能够实现更高的工作频率和更快的数据传输速度。

- 高功率高温特性：第三代半导体在高温高功率环境下表现更优秀，具有更低的导通电阻和更高的热稳定性。

- 节能环保：第三代半导体器件的功耗更低，利用效率更高，有助于减少能源消耗和减少对环境的影响。

3. 应用前景第三代半导体有望在多个领域得到广泛应用： - 5G通信：第三代半导体的高频高速特性使其在5G通信基站、射频前端等应用中具备优势，能够实现更快的数据传输速度和更稳定的通信质量。

- 新能源汽车：第三代半导体的高功率高温特性适合应用于新能源汽车的功率模块、电机驱动等部件，提高了系统的效率和稳定性。

- 人工智能：第三代半导体在边缘计算、神经网络计算等人工智能领域有着广阔的应用前景，可以提高计算速度和效率。

4. 技术挑战与发展趋势尽管第三代半导体具有诸多优势，但其技术开发和产业化仍面临一些挑战，如材料制备成本、器件加工精度等。

未来，随着技术的不断进步和产业链的完善，第三代半导体有望实现规模化商业化应用，推动半导体产业的发展。

5. 结语第三代半导体作为未来半导体技术的重要方向，具有广阔的应用前景和发展空间。

借助其多项优势，第三代半导体有望在5G通信、新能源汽车、人工智能等领域实现广泛应用，为科技进步和社会发展提供强大支撑。

未来，随着技术的不断创新和产业的进一步完善，第三代半导体有望成为半导体产业的新的增长点和引领者。

第三代宽禁半导体材料GaN(氮化镓)研究分析

第三代宽禁半导体材料GaN(氮化镓)研究分析

广州创亚企业管理顾问有限公司第三代宽禁半导体材料GaN （氮化镓）研究分析目录contents一、5G应用的关键材料（一）认识第三代半导体材料1、半导体材料的由来2、第一代半导体材料3、第二代半导体材料4、第三代半导体材料（二）第三代半导体材料的特点1、碳化硅（SiC）2、氮化镓（GaN）二、氮化镓（GaN）（一）GaN技术的发展历史（二）GaN的优点1、GaN 在电力电子领域：高效率、低损耗与高频率2、GaN 在微波射频领域：高效率、大带宽与高功率3、与第二代半导体材料GaAs更具优势三、GaN市场（一）市场空间1、0~900V的低压市场空间宏大2、GaN RF 市场即将大放异彩（二）射频是主战场1、GaN 是射频器件的合适材料2、5G应用的关键技术3、GaN 电力电子器件典型应用：快充电源四、GaN产业链（一）GaN工艺与流程（二）芯片制造过程1、流程2、GaN衬底3、GaN外延片4、GaN外延使用不同衬底的区别5、GaN器件设计与制造由于地球的矿藏多半是化合物，所以最早得到利用的半导体材料都是化合物,例如方铅矿(PbS)很早就用于无线电检波，氧化亚铜(Cu2O)用作固体整流器，闪锌矿(ZnS)是熟知的固体发光材料，碳化硅(SiC)的整流检波作用也较早被利用。

硒(Se)是最早发现并被利用的元素半导体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。

元素半导体锗（Ge）放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页，从此电子设备开始实现晶体管化。

中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度(99.999999%～99.9999999%)的锗开始的。

采用元素半导体硅（Si）以后，不仅使晶体管的类型和品种增加、性能提高，而且迎来了大规模和超大规模集成电路的时代。

以砷化镓(GaAs)为代表的Ⅲ－Ⅴ族化合物的发现促进了微波器件和光电器件的迅速发展。

2、第一代半导体材料第一代半导体材料主要是指硅（Si）、锗（Ge）元素半导体。

第三代半导体材料的优势是什么

第三代半导体材料的优势是什么

第三代半导体材料的优势是什么在半导体领域，第三代半导体材料被认为是未来高科技应用的重要基础，其在性能和应用方面带来了许多优势。

下面将介绍第三代半导体材料的优势，以便更好地了解其在未来发展中的潜力和应用前景。

1. 高电子迁移率第三代半导体材料具有高电子迁移率的特点，这使得器件在高频操作和功率放大方面表现出色。

相比于传统的硅材料，第三代半导体材料能够提供更高的电子迁移率，从而实现更快的电子传输速度和更高的电子流密度，为高性能电子器件的设计和制造提供了更大的灵活性。

2. 宽带隙特性第三代半导体材料通常具有较宽的能带隙，这使得它们在高温高频下表现更加稳定和可靠。

宽带隙材料的使用可以降低器件的导通损耗，在高频和高温环境下表现更加优秀，同时也增加了器件的工作寿命和可靠性。

3. 高温性能第三代半导体材料通常能够在更高的温度下工作，这使得其在高温环境下依然能够保持优秀的性能。

相比之下，传统的硅材料容易在高温下失去稳定性，而第三代半导体材料的高温性能可以满足更为苛刻的工作条件，适用于各种高温环境下的电子器件。

4. 提升功率密度第三代半导体材料的优势还在于其高功率密度特性，这使得其在功率器件领域具有巨大的潜力。

较高的功率密度意味着器件在较小尺寸下可以承受更大的功率输出，从而实现更小型化和更高性能的功率器件设计，为电力电子、射频功率放大器等领域的发展带来全新的机遇。

结语综上所述，第三代半导体材料具有高电子迁移率、宽带隙特性、高温性能和提升功率密度等优势，这使得其在未来高科技领域拥有广阔的应用前景。

随着技术的不断发展和推进，第三代半导体材料将为电子器件的设计和制造带来更多创新和突破，推动半导体领域的进一步发展和演进。