淺談功率半導(dǎo)體器件與普通半導(dǎo)體器件的區(qū)別

談到芯片，出現(xiàn)在腦海里的是“高精尖”，是一條條電路，是一個(gè)個(gè)信號，是“0”和“1”……如今芯片已經(jīng)參與到了我們生活的方方面面，上到飛機(jī)衛(wèi)星，下到手機(jī)電視，凡是有電的地方，就離不開芯片，芯片的發(fā)明給我們的生活帶來了便利。芯片的進(jìn)步，是真正將科技成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用的具體方式。 ?

芯片的發(fā)展?fàn)縿?dòng)著每一個(gè)國人的心，中華民族的繁榮富強(qiáng)必定要邁過自主研發(fā)這一道坎。如今在各個(gè)領(lǐng)域，面臨國外的圍追堵截，我們總能突出重圍，探尋到屬于自己的一篇天地。在芯片領(lǐng)域也一樣，非光學(xué)光刻，新一代半導(dǎo)體材料等都是我國正在發(fā)展方向，尤其是在美國將中國多家涉及芯片設(shè)計(jì)、制造的公司和高校列入實(shí)體清單后，更加激起了我們實(shí)現(xiàn)芯片自主研發(fā)的渴望。

? ? 特別地，功率半導(dǎo)體芯片，算得上是我國芯片彎道超車的關(guān)鍵。電子科技大學(xué)在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域有著悠久的發(fā)展歷史，電子科技大學(xué)功率集成技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（Power Integrated Technology Lab, PITeL），是“電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”和“電子科技大學(xué)集成電路研究中心”的重要組成部分，被國際同行譽(yù)為“全球功率半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域最大的學(xué)術(shù)研究團(tuán)隊(duì)”和 “功率半導(dǎo)體領(lǐng)域研究最為全面的學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)”。電子科技大學(xué)在我國芯片超英趕美的道路上發(fā)揮著重要作用。

? 功率半導(dǎo)體芯片

我們對一個(gè)行業(yè)的認(rèn)知，大都關(guān)注其前沿發(fā)展動(dòng)態(tài)，例如芯片行業(yè)的5nm芯片、7nm芯片，這些芯片類型屬于數(shù)字芯片。但在實(shí)際的每一個(gè)系統(tǒng)中，都需要模擬芯片和數(shù)字芯協(xié)同工作，才能出色的完成工作。這些高精度的芯片，受限于他的尺寸，并不能滿足高電壓等級的應(yīng)用，同時(shí)，這類芯片受限于光刻、刻蝕等工藝制造，被國外“卡脖子”，國內(nèi)行業(yè)發(fā)展困難。與此同時(shí)，在大多數(shù)模擬芯片領(lǐng)域，并不需要這么先進(jìn)的工藝，國內(nèi)的芯片工廠完全有能力生產(chǎn)出高性能的模擬芯片，尤其是功率芯片。正如其名字一樣，功率芯片在高電壓，大電流的應(yīng)用場景嶄露頭角，尤其現(xiàn)在我國正大力發(fā)展通訊、高鐵、新能源汽車等，這些領(lǐng)域無一例外都需要功率芯片的賦能。

? 芯片是我們對集成電路的簡單概述，一顆芯片通常由許多模塊構(gòu)成，例如，圖3為安森美半導(dǎo)體公司供電模塊示意圖。 ?

圖3?安森美半導(dǎo)體供電模塊示意圖

在每一個(gè)集成電路模塊中，功能的實(shí)現(xiàn)由許多“開關(guān)”組成，這些“開關(guān)”，就是半導(dǎo)體器件。在功率集成電路領(lǐng)域，由于其電壓等級需求較高，普通的半導(dǎo)體器件并不能夠?qū)崿F(xiàn)高電壓的應(yīng)用，用功率半導(dǎo)體器件來作為這些“開關(guān)”，完美的貼合了應(yīng)用需求。功率半導(dǎo)體是一個(gè)小“開關(guān)”，其設(shè)計(jì)的功率集成電路是個(gè)大“開關(guān)”，這類應(yīng)用的開關(guān)頻率，正隨著應(yīng)用需求不斷提高，也是功率半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的方向之一。圖4為功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)頻率的發(fā)展趨勢，說明了更快的功率集成電路是我們的發(fā)展需求 ?

圖4 功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)頻率發(fā)展趨勢

功率半導(dǎo)體器件

功率半導(dǎo)體器件與普通半導(dǎo)體器件的區(qū)別在于，其在設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要多一塊區(qū)域，來承擔(dān)外加的電壓，如圖5所示，300V器件[1]的“N-drift”區(qū)域就是額外承擔(dān)高壓的部分。與沒有“N-drift”區(qū)的普通半導(dǎo)體器件[2]相比，明顯尺寸更大，這也是功率半導(dǎo)體器件的有點(diǎn)之一。雖然我們不能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立自主的高精度光刻，但大尺寸的器件制造，給了我們彎道超車的機(jī)會(huì)。

圖5 300V功率半導(dǎo)體器件與普通半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)對比

圖6 功率半導(dǎo)體器件SEM剖面圖圖7為如今先進(jìn)半導(dǎo)體器件“FINFET”結(jié)構(gòu)的工藝制造步驟，需要通過多次高精度的光刻、刻蝕，才能夠最終實(shí)現(xiàn)，如今現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)這一制造流程的只有臺(tái)積電、三星和英特爾，但其中關(guān)鍵設(shè)備——***，仍然被荷蘭的ASML壟斷。 ?

圖7 FINFET工藝制造流程相比之下，功率集成電路的制造，并不需要通過FINFET工藝來實(shí)現(xiàn)，而是通過BCD工藝就能夠完成制造。圖8展示了一些現(xiàn)有技術(shù)的BCD工藝[3,4]，由此可見，與功率集成電路兼容的BCD工藝更加簡單。功率集成電路工藝是電子科技大學(xué)的特色方向，是我國芯片發(fā)展的重要組成部分。 ?

圖8 聯(lián)電BCD工藝（左）和日立BCD工藝

功率集成電路具體應(yīng)用

集成功率芯片的類型數(shù)不勝數(shù)，下面就選幾個(gè)我們在日常生活中最常見到的類型給大家做個(gè)簡單的介紹。

微控制器

對大部分人來說，微控制器是一個(gè)很陌生的詞，因?yàn)槲覀兒茈y直接的接觸到或者見過它的身影，但是它又與我們生活息息相關(guān)。 ? 微控制器可以簡單地定義為集成在一個(gè)小小的芯片上的微型計(jì)算機(jī)。相比一般的微型計(jì)算機(jī)，微控制器的運(yùn)算能力被大大削弱，但是，微控制器內(nèi)部集成了更多的功率模塊，因此有著很多的IO端口，通過IO端口可以直接對電機(jī)、LED、揚(yáng)聲器等進(jìn)行控制。并且由于微控制器的工作環(huán)境相對惡劣，因此往往對其穩(wěn)定性和適用范圍有著苛刻的要求，同時(shí)為了避免在使用備用電池的情況下導(dǎo)致控制的系統(tǒng)失靈，大部分的微控制器都支持低功耗模式。可以說，在生活中任何與智能沾點(diǎn)邊的物品大多都會(huì)帶有微控制器。

圖10 開源微控制器RP2040引腳排列圖微控制器已成為物聯(lián)網(wǎng)不可或缺的一部分，廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，例如電機(jī)控制、條碼閱讀器/掃描器、消費(fèi)類電子、游戲設(shè)備、電話、HVAC、樓宇安全與門禁控制、工業(yè)控制與自動(dòng)化和白色家電（洗衣機(jī)、微波爐）等等。 ?

光耦芯片

光耦合器簡稱光耦，也稱為光電隔離器或光電耦合器，它的主要功能是實(shí)現(xiàn)電隔離。典型的光耦是將發(fā)光器（例如LED）、受光器（例如光敏二極管）以及柵驅(qū)動(dòng)電路封裝在同一個(gè)管殼之中。當(dāng)輸入端施加有效電信號的時(shí)候，發(fā)光器產(chǎn)生光亮，被封裝在同一管殼之中的受光器接收，轉(zhuǎn)化為電信號，被電路接收，經(jīng)過電路的放大和最后部分的驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)換為電信號從輸出端流出，通過這個(gè)流程實(shí)現(xiàn)了從電信號到光信號再到電信號的轉(zhuǎn)化。 ?

圖12 光耦芯片（左）及光耦原理示意圖（右）光耦有著很廣泛的應(yīng)用，可以當(dāng)作繼電器使用，實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電的效果，同時(shí)不會(huì)像機(jī)械繼電器一樣產(chǎn)生火花。可以在電源變換器中使用，實(shí)現(xiàn)輸出端信號傳遞回輸入端，并產(chǎn)生電隔離。還能應(yīng)用在數(shù)字電路中實(shí)現(xiàn)脈沖信號的放大等等。 ?

電源變換器芯片

正如其名，集成電源變換器的作用是實(shí)現(xiàn)電源電壓的轉(zhuǎn)換，通過最新的集成電路工藝將控制電路和功率MOS器件集成在同一個(gè)硅片上，其外圍電路非常簡單，并且電源轉(zhuǎn)化效率很高，因此實(shí)現(xiàn)的廣泛的應(yīng)用。我們身邊的電腦、手機(jī)、充電器等內(nèi)部都集成了電源變換器芯片，其小體積、低功耗的特點(diǎn)得到了微電子產(chǎn)品的青睞。