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张为佐先生是我国著名的电力电子技术和功率半导体专家，长期从事功率半导体器件的研究工作，是我国功率半导体器件的创始人之一。1958年张为佐先生来到了当时的机械部北京电器科学研究院六室，承担了国内最早的电力电子器件的研制。1965年底，北京电器科学研究院六室搬迁到西安，成立机械工业部西安整流器研究所(后改名为西安电力电子技术研究所)。张为佐等一批具有献身精神的工程技术人员，在条件更加艰难的环境中依然不懈追求，成为中国电力电子技术研究核心力量。到"文化大革命"前，中国电力电子器件的整体性能已接近国际水平，有些应用技术甚至走在美国前面。70年代后期，西安成为中国电力电子技术研究中心和产业基地。是国家电力电子产品质量监督检验中心、中国电器工业协会电力电子专业协会、中国电工技术学会电力电子学会、全国电力电子学标准化技术委员会等秘书机构所在地。十年动乱开始后逐渐落后于西方，到了80年代中期，在功率半导体器件制造方面，中国与国际上的差距被拉大了。 张为佐性情开朗，十年动乱期间他克服种种困难坚持技术理论研究，继续跟踪国际电力电子技术发展动态。1979年，张先生撰写《略论电力电子学》一文，被业内视为中国第一篇论述电力电子学的文章。张为佐以此文为理论基础，积极倡导成立中国电力电子的行业组织。1980年该组织成立，第二年正式定名为中国电工技术学会电力电子学会，张为佐出任秘书长，为学会发展做了大量的工作。 国际电力电子业在80年代进入新的里程。美国IR公司在1980年发明了MOS型器件，并在1986年建成世界上第一个功率MOSFET生产厂，这标志着电力电子功率集成电路已经从分立器件走向了集成化的发展之路。张为佐对国际领先技术一直追踪研究，并提出自己的一些独特见解。1986年IR公司邀请张为佐赴美从事研究工作，同时，张先生积极为国内机构与IR公司之间架起沟通的桥梁。加速了国内对领先技术的消化和掌握。 进入90年代后，电力电子技术与微电子工艺技术的相互渗透，智能化的功率模块和功率集成电路，将成为业内的研究对象和发展重点。张为佐又是率先对此电力电子技术作出新的定义，撰写大量文章，参加各种有关专业研讨会，向业内广泛传播这些技术，受到业内的极力推崇和高度评价。 张为佐先生于2007年7月26日不幸病逝。 张为佐先生长期从事功率半导体器件的研究工作，发表了大量文章。因篇幅有限，本摘录只涉及张先生文章很少一部分，但反映了他对电力电子技术若干主要观点。我们希望这些文章不仅对功率半导体器件设计制造有益，也希望对从事电力电子领域工作的其他人员也有帮助，为此在摘编时特别给予关注，以便让这部分人员能顺利理解这些文章的观点。 功率半导体器件鸟瞰 当代功率半导体器件大致可以分成三类。一是传统的各类晶闸管，二是近二十年来发展起来的功率MOSFET及其相关器件。三是由上述两类器件发展起来的特大功率器件。 功率半导体器件的历史可以追溯到早期的半导体整流元件，甚至远溯到四十年代的氧化亚铜和硒整流器。但促使一门新学科--电力电子学诞生的却需归功于晶闸管(thyristor)这个大家族，特别是具有较强逆变能力的快速和可关断晶闸管以及大功率双极性晶体管。而最大的变化是：功率 MOSFET从1979年诞生后，逐步改变了整个功率半导体器件的面貌，从而使电力电子学的范围跨入了过去未曾涉足的信息领域。 六十到七十年代是晶闸管统治功率器件的全盛时代，到了八十年代，晶闸管的发展已完全成熟。而九十年代，作为中小功率用的逆变器件，逐步让位于MOSFET 或IGBT。 整流元件是始终不会衰退的器件。只是它们的性能在不断改进。如近年来仍在不断发展的快恢复二极管和快恢复外延二极管。主要是希望做到恢复又快又软，少起振荡。 晶闸管及整流元件 六十到七十年代是晶闸管统治功率器件的全盛时代，到了八十年代，晶闸管的发展已完全成熟。而九十年代，作为中小功率用的逆变器件，逐步让位于MOSFET 或IGBT。在许多传统的相控整流领域，开始逐步被开关整流所取代。但在特大功率范畴，双极性器件仍明显占主导地位。 为对比MOS器件的发展，现在来回忆一下晶闸管在技术方面的发展过程。可以看到，对器件的理解和要求是一个从静态到动态性能逐步认识和改善的过程。 一. 提高发射极注入效率及控制少子寿命，使晶闸管的电流容量有了迅速提高。双极性器件的大注入效应使其在取得大电流能力方面，显然优于单极型器件。这也是其后IGBT发展的基础。IGBT中的B字，即代表双极性的意思。 二. 改善表面造型及表面保护，使器件有较高的耐压和更好的可靠性。当时已有平面型的保护环技术(后来称为终端技术)，但在高压领域内当时并未采用。其后采用了特殊辐照掺杂的区熔硅单晶，使高压器件有了更好的成品率。IGBT在第三到第五代的转变中，也采用了区熔硅单晶。 三. 引入短路发射极原理，使发射极下基区的电阻(简称横向电阻)为最小。以限制发射极在位移电流作用下产生注入，从而提高了器件的电压上升率(dv/dt)。这个原理也被MOSFET用来抑制寄生双极性晶体管起作用。 四. 引入放大门极原理，或称场引入原理。即以阳极电场引入门极周围，以迫使导 通区扩展，从而改善器件的电流上升率(di/dt)。 五. 发展快速晶闸管(Inverter SCR)以取得较高的频率并用于逆变电路。 在制造 工艺上采用了降低少子寿命的方法，以降低关断时间(tq)，从而降低开关损耗。同时也 利用上述第三、四两条原理，以更好的动态特性以符合快速开关要求。有趣的是降低少子寿命的方法以后甚至用在不牵涉少子的多子型器件中，这是因为必须控制寄生的本征二极管的关断特性。 六. 发展更为“安全”使用的晶闸管。换言之，使器件能经受一定的电压电流尖刺，成为更可靠的晶闸管。如近年来发展的SAFEIR。 七. 发展双向晶闸管(triac)以更适合于中小功率的交流电路。各类双向器件的设想是根据应用的需要而产生的，但真正实现的恐怕只剩下triac。这也许是因为制造双向器件增加了复杂性，却又可以用单向器件去代替它。从技术而言，是更好地控制各个发射极下的基区电阻。利用横向电阻使器件具有四象限的导通能力。这和提高电压上升率的措施刚好相反。 八. 发展可关断晶闸管(GTO)以使晶闸管成为可用门极自关断的器件。从技术而言，是将晶闸管内的两个晶体管的增益做得尽可能小。即降低注入效率(薄发射极或逆导)和降低少子寿命。从而使其易于关断。中小功率的利用PNPN原理的可关断器件始终未能占领市场，这可能是因为当“闸门”打开后，要切断并不如一般的晶体管这么容易或是在制造成本上并不合算。 九. 发展塑封包装或模块，使器件进一步减小体积。甚至包括表面贴装型的塑封晶闸管(SMALLIR)。为此，方片晶闸管有很大发展。也有采用平面型场终端技术来代替传统的挖槽加玻璃钝化技术。 十. 整流元件是始终不会衰退的器件。只是它们的性能在不断改进。如近年来仍在不断发展的快恢复二极管和快恢复外延二极管 。主要是希望做到恢复又快又软，少起振荡。(QUIETIR) 特大功率器件 它是从传统晶闸管发展起来的。但由于MOS型器件的出现，它又取得了新的思路和发展的途径。简略来说，它们包括： 一.SCR：晶闸管的容量仍在继续扩大，现在的商品已有了采用五英寸硅片的单个高压器件。其电压已达七八千伏。 二.GTO：在自关断大功率半导体器件方面，现在正在向三个方面发展，首先是传统可关断晶闸管(GTO)的发展，其商品容量已达6000伏3000安。 三.IGBT：由MOSFET发展起来的IGBT自然是另一种自关断器件，大功率器件制造厂 正在迅速增大IGBT容量，有模块型，也有传统的大饼型。其最高电压已能达4500 伏，电流可为1800安。 四.IGCT：这是一种特殊结构的GTO(如透明阳极，即阳极少子注入率极低的GTO)和特殊的外围MOS关断电路组合在一起的器件。由于其门极关断电路的感抗特低，所以可以瞬时流过极大的关断电流去关断GTO。目前电压可达4500到6000伏，电流可达250-4000安。上述三种自关断器件在工艺上都有相互借鉴之处。当然在应用中也各有其适用的方向。 这些大功率器件对我国的电力系统，高压直流输电，大电网联网，铁路、地铁、轻轨车牵引等方面，都具有关键意义。 最大的变化是：功率 MOSFET从1979年诞生后，逐步改变了整个功率半导体器件的面貌，从而使电力电子学的范围跨入了过去未曾涉足的信息领域。 功率半导体器件发展的三个阶段 功率半导体器件的发展，大致可分为三个阶段。第一阶段是六十到七十年代，那时各种类型的晶闸管和大功率达林顿晶体管有很大的发展，或可称为是双极性的年代。其服务对象是以工业应用为主，包括电力系统，机车牵引等。第二阶段是八十到九十年代，由于功率MOSFET的兴起，使电力电子步入了一个新的领域。为近代蓬勃发展的4C产业：即Communication，Computer，Consumer，Car(通信，电脑，消费电器，汽车)提供了新的活力。二十一世纪前后，功率半导体器件的发展又进入了第三阶段，即和集成电路结合愈来愈紧密的阶段。当然，这里首先需要着重说明的是：当功率半导体器件不断发展时，前一阶段的主导产品并未退出历史舞台。例如晶闸管至今仍是一种重要产品。我国近年来先后引进超大功率晶闸管，光控晶闸管技术，为我国重大发电输电等项目，提供了关键器件。近来又在考虑引入IGCT技术。我国在这方面应该说已逐步走向世界前列。从美国来看，大功率晶闸管的生产已愈来愈少，说明两国的经济发展历程并不完全相同。功率半导体器件在两个方向上发展。左侧是双极性方向，正向著超大功率及集成化方向发展。右侧是单极性方向，它正和集成电路建立了愈来愈密切的不可分割的关系。 功率半导体和微电子器件 一.按传统功率半导体的方向，即希望器件能有较高的电压，但仍有较低的内阻或压降。最典型的如绝缘栅双极性晶体管IGBT，它的结构和MOSFET十分相似。它具有MOS器件栅极绝缘和快速开关的能力。但其功率额定值类同于晶闸管。所以被原来做电力电子技术人员赏识为功率半导体器件的新平台。从IGBT的芯片来说，更新换代的速度也很快，如IR的第五代采用区熔硅材料的非穿通结构(NPT)，因其有更强的耐用度(ruggedness)而有利于较高压的工业应用。近年来在此基础上又发展了场终止(Field Stop)结构，使IGBT芯片可进一步减薄，例如做1200伏的FS IGBT只要用120微米厚度的硅片，从而又进一步降低了压降和动态损耗。IGBT实际上也有三个方向，1)做成塑封器件，它被大量用于家电的发展。2)做成模块形式，或者加上保护电路，触发电路成为智能功率模块(IPM)，这在空调设备中用得很多。近年来，IR公司正在发展一种称为iNTERO系列的模块。所谓intero，是意大利文，相当于英文中的entire，也就是全部的意思。它包含了一整套从较简易到较复杂的各种模块。如从仅含功率器件的主回路的功率集成模块PIM/BBI(Power Integrated Module/Bridge，Brake，Inverter)开始，发展到智能功率模块IPM，到I2PM(内表面绝缘的智能功率模块)，一直到最新的程控绝缘智能功率模块PI-IPM (Programmable Isolated-IPM)。在PI-IPM中又分为两种类型，即已写入软件的或尚未写入软件等两种。另外正在发展另一种简易型的直接插入式的模块，称为 "Plug&Drive"，可用于较小功率的空调和其他家电。3)在特大功率方面，IGBT也已跻身为一重要成员，例如做到6500伏的IGBT，可用来代替传统的GTO。在这方面，一些欧洲及日本的公司都有较大的发展。 二.MOSFET的更为主导的方向是向极低内阻等方向发展。最典型的就是在电脑中的应用。为达到这种性能，它要求每个MOSFET由更多更小的MOSFET原胞组成。这就要求其工艺精度必须向亚微米方向发展。 综上所述，功率半导体器件这些年来，不断地发生了很大的变化。所以不能再以固定的眼光去看待功率半导体器件的发展。例如不要简单地把功率半导体器件和可控硅画等号，或只和分立器件画等号。也不要把功率半导体和微电子器件人为地分离开来，似乎半导体中只有微电子。这些都会妨碍功率半导体器件的发展，长期来说也会妨碍微电子器件的发展。在发展战略上，要避免把功率半导体器件列为仅需简陋工艺就可以完成的低技术产品。而把优惠政策只提供给集成电路行业。我国至今没有很好地发展现代功率半导体器件，缺乏对现代功率半导体器件的全面了解恐怕是一个因素。在信息化带动工业化的浪潮中，必须让不同的半导体器件都有一个均衡的发展。 |
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