功率半導(dǎo)體器件是所有電力電子系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。據(jù)估計，世界上至少有50%的電力是由電力設(shè)備控制的。隨著電子產(chǎn)品在消費、工業(yè)、醫(yī)療和交通部門的廣泛應(yīng)用，電力設(shè)備對經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了重大影響，因為它們決定了系統(tǒng)的成本和效率。自20世紀(jì)50年代用固態(tài)器件取代真空管以來，半導(dǎo)體功率器件以硅為基礎(chǔ)材料占據(jù)了主導(dǎo)地位。雙極功率器件，如雙極晶體管和晶閘管，最早出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，隨著人們對工作物理的理解和更先進(jìn)光刻技術(shù)的應(yīng)用，其功率額定值和開關(guān)頻率不斷提高。這些器件的電流傳導(dǎo)和開關(guān)速度的物理基礎(chǔ)已經(jīng)在幾本教科書1'2中描述過。由于晶閘管是為高壓直流輸電和電力機(jī)車驅(qū)動而開發(fā)的，所以重點是提高額定電壓和電流處理能力。利用中子嬗變摻雜產(chǎn)生高阻n型硅的能力，改善了大直徑晶片的均勻性，使晶閘管的阻斷電壓提高到5000伏以上，同時能夠在單個器件中處理2000安培以上的電流。同時，為了提高中功率系統(tǒng)的開關(guān)頻率，雙極功率晶體管也得到了發(fā)展。不幸的是，當(dāng)雙極晶體管設(shè)計用于高電流密度下的高壓操作時，其電流增益變得很低。采用達(dá)林頓結(jié)構(gòu)是解決這一問題的常用方法，其缺點是增加了通態(tài)壓降，從而增加了功耗。除了雙極晶體管所需的大控制電流外，它們還遭受二次擊穿故障模式。這些問題導(dǎo)致了緩沖網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的繁瑣，提高了功率控制系統(tǒng)的成本和效率。20世紀(jì)70年代，功率MOSFET產(chǎn)品首次由國際整流器公司引進(jìn)。盡管功率MOSFET最初因其高輸入阻抗和快速開關(guān)速度而被譽為所有雙極功率器件的替代品，但它成功地壟斷了低壓（<100v）和高開關(guān)速度（>100khz）應(yīng)用的市場，但未能在高壓領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。這是因為功率mosfet的導(dǎo)通電阻隨擊穿電壓的增加而迅速增大。由此產(chǎn)生的高傳導(dǎo)損耗，即使使用更大更昂貴的模具，也會降低整個系統(tǒng)的效率。為了認(rèn)識到這些問題，我在1979年提出了兩個新的動力裝置領(lǐng)域的推動。第一種是基于MOS和雙極器件物理的結(jié)合，創(chuàng)造了一種新的功率器件3。我在MOS雙極器件中最成功的創(chuàng)新是絕緣柵雙極晶體管（IGBT），在20世紀(jì)80年代初商業(yè)化引入后不久，IGBT就被用于所有的中功率電子器件應(yīng)用。如今，它是由全球十幾家公司為消費者、工業(yè)、醫(yī)療和其他有益于社會的應(yīng)用而制造的。IGBT的成功與其巨大的功率增益、高輸入阻抗、寬的安全工作區(qū)以及可根據(jù)其工作頻率為應(yīng)用量身定制的開關(guān)速度有關(guān)。我在20世紀(jì)80年代早期提出的提高功率器件性能的第二種方法是用寬帶隙半導(dǎo)體代替硅。這種方法的基礎(chǔ)是我導(dǎo)出的一個方程，它將單極功率器件中漂移區(qū)的導(dǎo)通電阻與半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)聯(lián)系起來。這個方程后來被稱為Baliga優(yōu)值圖（BFOM），除了具有更高載流子遷移率的態(tài)電阻的預(yù)期降低外，該方程還預(yù)測導(dǎo)通電阻的降低與半導(dǎo)體材料擊穿電場強(qiáng)度的立方成反比。上世紀(jì)70年代，人們對半導(dǎo)體的碰撞電離系數(shù)知之甚少。因此，擊穿電場強(qiáng)度與半導(dǎo)體4的能帶隙有關(guān)，從而得出結(jié)論：寬帶隙半導(dǎo)體為大幅度降低功率器件漂移區(qū)的導(dǎo)通電阻提供了機(jī)會。