浅谈功率半导体器件与普通半导体器件的区别

谈到芯片，出现在脑海里的是“高精尖”，是一条条电路，是一个个信号，是“0”和“1”……如今芯片已经参与到了我们生活的方方面面，上到飞机卫星，下到手机电视，凡是有电的地方，就离不开芯片，芯片的发明给我们的生活带来了便利。芯片的进步，是真正将科技成果转化为实际应用的具体方式。  

芯片的发展牵动着每一个国人的心，中华民族的繁荣富强必定要迈过自主研发这一道坎。如今在各个领域，面临国外的围追堵截，我们总能突出重围，探寻到属于自己的一篇天地。在芯片领域也一样，非光学光刻，新一代半导体材料等都是我国正在发展方向，尤其是在美国将中国多家涉及芯片设计、制造的公司和高校列入实体清单后，更加激起了我们实现芯片自主研发的渴望。

    特别地，功率半导体芯片，算得上是我国芯片弯道超车的关键。电子科技大学在功率半导体领域有着悠久的发展历史，电子科技大学功率集成技术实验室（Power Integrated Technology Lab, PITeL），是“电子薄膜与集成器件国家重点实验室”和“电子科技大学集成电路研究中心”的重要组成部分，被国际同行誉为“全球功率半导体技术领域最大的学术研究团队”和 “功率半导体领域研究最为全面的学术团队”。电子科技大学在我国芯片超英赶美的道路上发挥着重要作用。

  功率半导体芯片

我们对一个行业的认知，大都关注其前沿发展动态，例如芯片行业的5nm芯片、7nm芯片，这些芯片类型属于数字芯片。但在实际的每一个系统中，都需要模拟芯片和数字芯协同工作，才能出色的完成工作。这些高精度的芯片，受限于他的尺寸，并不能满足高电压等级的应用，同时，这类芯片受限于光刻、刻蚀等工艺制造，被国外“卡脖子”，国内行业发展困难。与此同时，在大多数模拟芯片领域，并不需要这么先进的工艺，国内的芯片工厂完全有能力生产出高性能的模拟芯片，尤其是功率芯片。正如其名字一样，功率芯片在高电压，大电流的应用场景崭露头角，尤其现在我国正大力发展通讯、高铁、新能源汽车等，这些领域无一例外都需要功率芯片的赋能。

  芯片是我们对集成电路的简单概述，一颗芯片通常由许多模块构成，例如，图3为安森美半导体公司供电模块示意图。  

图3 安森美半导体供电模块示意图

在每一个集成电路模块中，功能的实现由许多“开关”组成，这些“开关”，就是半导体器件。在功率集成电路领域，由于其电压等级需求较高，普通的半导体器件并不能够实现高电压的应用，用功率半导体器件来作为这些“开关”，完美的贴合了应用需求。功率半导体是一个小“开关”，其设计的功率集成电路是个大“开关”，这类应用的开关频率，正随着应用需求不断提高，也是功率半导体技术发展的方向之一。图4为功率开关驱动频率的发展趋势，说明了更快的功率集成电路是我们的发展需求  

图4 功率开关驱动频率发展趋势

功率半导体器件

功率半导体器件与普通半导体器件的区别在于，其在设计的时候，需要多一块区域，来承担外加的电压，如图5所示，300V器件[1]的“N-drift”区域就是额外承担高压的部分。与没有“N-drift”区的普通半导体器件[2]相比，明显尺寸更大，这也是功率半导体器件的有点之一。虽然我们不能够实现独立自主的高精度光刻，但大尺寸的器件制造，给了我们弯道超车的机会。

 

图5 300V功率半导体器件与普通半导体器件结构对比

图6 功率半导体器件SEM剖面图 图7为如今先进半导体器件“FINFET”结构的工艺制造步骤，需要通过多次高精度的光刻、刻蚀，才能够最终实现，如今现在能够实现这一制造流程的只有台积电、三星和英特尔，但其中关键设备——***，仍然被荷兰的ASML垄断。  

图7 FINFET工艺制造流程 相比之下，功率集成电路的制造，并不需要通过FINFET工艺来实现，而是通过BCD工艺就能够完成制造。图8展示了一些现有技术的BCD工艺[3,4]，由此可见，与功率集成电路兼容的BCD工艺更加简单。功率集成电路工艺是电子科技大学的特色方向，是我国芯片发展的重要组成部分。  

图8 联电BCD工艺（左）和日立BCD工艺

功率集成电路具体应用

集成功率芯片的类型数不胜数，下面就选几个我们在日常生活中最常见到的类型给大家做个简单的介绍。

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微控制器

对大部分人来说，微控制器是一个很陌生的词，因为我们很难直接的接触到或者见过它的身影，但是它又与我们生活息息相关。   微控制器可以简单地定义为集成在一个小小的芯片上的微型计算机。相比一般的微型计算机，微控制器的运算能力被大大削弱，但是，微控制器内部集成了更多的功率模块，因此有着很多的IO端口，通过IO端口可以直接对电机、LED、扬声器等进行控制。并且由于微控制器的工作环境相对恶劣，因此往往对其稳定性和适用范围有着苛刻的要求，同时为了避免在使用备用电池的情况下导致控制的系统失灵，大部分的微控制器都支持低功耗模式。可以说，在生活中任何与智能沾点边的物品大多都会带有微控制器。

图10 开源微控制器RP2040引脚排列图 微控制器已成为物联网不可或缺的一部分，广泛地应用在各个领域，例如电机控制、条码阅读器/扫描器、消费类电子、游戏设备、电话、HVAC、楼宇安全与门禁控制、工业控制与自动化和白色家电（洗衣机、微波炉）等等。  

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光耦芯片

光耦合器简称光耦，也称为光电隔离器或光电耦合器，它的主要功能是实现电隔离。典型的光耦是将发光器（例如LED）、受光器（例如光敏二极管）以及栅驱动电路封装在同一个管壳之中。当输入端施加有效电信号的时候，发光器产生光亮，被封装在同一管壳之中的受光器接收，转化为电信号，被电路接收，经过电路的放大和最后部分的驱动，转换为电信号从输出端流出，通过这个流程实现了从电信号到光信号再到电信号的转化。  

图12 光耦芯片（左）及光耦原理示意图（右） 光耦有着很广泛的应用，可以当作继电器使用，实现弱电控制强电的效果，同时不会像机械继电器一样产生火花。可以在电源变换器中使用，实现输出端信号传递回输入端，并产生电隔离。还能应用在数字电路中实现脉冲信号的放大等等。  

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电源变换器芯片

正如其名，集成电源变换器的作用是实现电源电压的转换，通过最新的集成电路工艺将控制电路和功率MOS器件集成在同一个硅片上，其外围电路非常简单，并且电源转化效率很高，因此实现的广泛的应用。我们身边的电脑、手机、充电器等内部都集成了电源变换器芯片，其小体积、低功耗的特点得到了微电子产品的青睐。

图13 集成电源变换器控制芯片

随着时代的发展，电子产品对体积、重量和功耗都提出了更高的要求，而集成功率芯片的应用恰恰能极大地提高电子产品的集成度，集成电路芯片的广泛使用促进了集成功率芯片的发展进步，两者相互推动，互惠互利。  

编辑：黄飞