什么是功率半导体？

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在工艺方面，除了追求制程之外，另一条技术路线则是发展特色工艺。

特色工艺聚焦于特殊功能的实现，被认为是“摩尔定律”之外的重要发展分支(“摩尔定律”即通过不断缩小制程线宽来提高芯片的集成度)。特色工艺产品类别广泛，并能形成特色集群优势，拥有各自的市场定位和发展趋势。比如，电源管理、高压驱动、微控制单元、射频、图像传感等细分领域。

功率半导体也是特色工艺的代表。与处理器芯片不同，功率半导体在制程方面不追求极致线宽，也不遵循“摩尔定律”，而专注于结构和技术改进以及材料迭代。

功率半导体用于电力电子领域。用于固态设备，电力电子控制和转换各种系统中的电力，例如汽车、电机驱动器、电源、太阳能和风力涡轮机。这些器件不同于传统的金属氧化物半导体场效应晶体管 （MOSFET）。当今的数字 CMOS FET 由构建在硅顶部的源极、栅极和漏极组成。在操作中，向栅极施加电压，使电流从源极流向漏极。

对于特色工艺产品，如果在制造过程中做一些定制化的设计，产品的性能就会有很大不一样。

目前功率半导体市场规模在全球半导体行业的占比在8%-10%之间。功率半导体是电力电子装置的必备，行业周期性波动较弱。近年来，功率半导体的应用领域已从工业控制和消费电子拓展至新能源、轨道交通、智能电网、变频家电等诸多市场，行业市场规模呈现稳健增长态势。

相比之下，IGBT 和大多数功率 MOSFET 是垂直器件，源极和栅极位于器件顶部，漏极位于底部。在操作中，向栅极施加电压并且电子沿垂直方向移动，垂直方向支持更高的电流和电压。

还有其他差异。在传统的 MOSFET 中，芯片制造商在每一代都缩小晶体管的特征尺寸，从而使芯片具有更高的晶体管密度。在功率器件中，供应商也在缩小晶体管，但还没有达到数字 CMOS 的程度。

Lam Research战略营销高级总监 Michelle Bourke 表示：“如果您考虑 MOSFET 和 IGBT，它们在规模和效率方面正在经历自己的发展轨迹。” “有些人可能会说，与 CMOS 相比，这些功能很大。但是，为了达到该设备性能所需的垂直度和配置文件控制与我们在 Lam 中遇到的一些 CMOS 问题一样具有挑战性。因此，虽然从设备的角度来看，这些功能仍然很大，但从开发的角度来看，这是我们完成的最具挑战性的过程之一。我们正在使这种情况发生。”

通常，对于功率半导体，最重要的考虑因素是其他参数，例如电压 （V）、Rds（on） 和栅极电荷。每个功率半导体器件都有一个额定电压 （V）。“VDSS 中的‘V’ 是最大允许工作电压，或漏源电压规格，”EPC 首席执行官 Alex Lidow 解释道。

导通电阻或 Rds（on） 是源极和漏极之间的电阻值。栅极电荷是开启器件的电荷量。Ron x A很重要。“半导体业务的成本优化一直与芯片缩小联系在一起。此规则也适用于功率器件。Ron x A 是一个关键品质因数，它描述了提供功率器件的特定器件性能所需的硅面积。通常，当我们开发新的电源技术时，我们通过降低新技术的 Ron XA 来获得的成本优势超过了通常更复杂的生产过程的额外成本。这些成本效益可以交付给客户，是成本降低路线图的核心，”英飞凌的 Yee 说。

有多种功率半导体选项可供选择，以适应不同的应用。在硅方面，选择包括功率 MOSFET、超结功率 MOSFET 和 IGBT。功率 MOSFET 被认为是最便宜和最受欢迎的器件，用于适配器、电源和其他产品。它们用于 25 至 500 伏的应用。

超结功率 MOSFET 是增强型 MOSFET，用于 500 至 900 伏系统。同时，领先的中端功率半导体器件是用于 1，200 伏至 6.6 千伏应用的 IGBT。

硅基功率器件在各个领域与 GaN 和 SiC 竞争。GaN 和 SiC 都具有一些令人印象深刻的特性。SiC 提供 10 倍的击穿电场强度和 3 倍的硅带隙。GaN 超过了这些数字。

“宽带隙半导体具有关键优势，但它们将与基于硅的技术并行存在，”Lam Research 战略营销董事总经理 David Haynes 说。“基于硅的技术将持续很长时间。他们非常成熟。基于硅的功率器件正在进行大量的研究和技术开发。”

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