發(fā)展功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)迫在眉睫

時間:2007-11-14

來源:中國傳動網(wǎng)

導(dǎo)語:功率半導(dǎo)體器件的主要應(yīng)用領(lǐng)域是開關(guān)電源、電機驅(qū)動與調(diào)速、UPS等等。

功率半導(dǎo)體器件的主要應(yīng)用領(lǐng)域是開關(guān)電源、電機驅(qū)動與調(diào)速、UPS等等。因為這些裝置都需輸出一定的功率給予用電器,所以電路中必須使用功率半導(dǎo)體。功率半導(dǎo)體的另一重要應(yīng)用領(lǐng)域是發(fā)電、變電與輸電,這就是原本意義上的電力電子。任何電器設(shè)備都需要電源(盡管有些設(shè)備電源是內(nèi)置在機箱中),任何用電機的設(shè)備都需要電機驅(qū)動(小至計算機風(fēng)扇和家電,大至礦山機械、電氣機車、軋鋼機等等)。 功率半導(dǎo)體擔當節(jié)能重任 功率半導(dǎo)體已在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域和國防工業(yè)中無所不在??梢杂孟旅娴谋扔鱽碚f明功率半導(dǎo)體的重要性。若用一臺電器比喻一個人,大規(guī)模集成電路的作用是接受和處理信息,好比人的大腦,功率半導(dǎo)體的作用之一是構(gòu)成電源為機器提供能量,這好比人的心臟;功率半導(dǎo)體的另一個作用執(zhí)行大腦的指令去驅(qū)動電機進行所需的工作,這好比人的四肢。因此,功率半導(dǎo)體與大規(guī)模集成電路這兩類半導(dǎo)體器件是同等重要而不能相互取代的。 我國當前發(fā)展功率半導(dǎo)體的首要意義在于節(jié)約電能。為解決能源短缺的問題,除了“開源”之外,“節(jié)流”的潛力也是十分巨大的,而節(jié)流的首要措施就是功率半導(dǎo)體的發(fā)展及推廣其應(yīng)用。例如,據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計,我國用于電機的電能占我國總發(fā)電量的60%多。如果全國電機的驅(qū)動都采用功率半導(dǎo)體進行變頻調(diào)速就可以節(jié)能大約1/4到1/3,也就是說可節(jié)約全國總發(fā)電量的15%至20%。這是多么驚人的數(shù)字。 功率半導(dǎo)體是信息產(chǎn)品、計算機、消費電子和汽車這4C產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)品,這是功率半導(dǎo)體迅速發(fā)展的另一個重要驅(qū)動力。舉例來說,計算機和網(wǎng)絡(luò)存儲器的CPU電源是由幾十安培乃至幾萬安培的功率半導(dǎo)體構(gòu)成,功率半導(dǎo)體的改進(例如提高頻率)可以顯著減小電源的能耗和減小設(shè)備的體積;每輛汽車有十幾個乃至幾十個由功率半導(dǎo)體控制的電機,甚至連電子點火都是功率半導(dǎo)體;家電的冰箱、空調(diào)、洗衣機等都依賴功率半導(dǎo)體變頻調(diào)速來節(jié)能并舒適化;手機是用功率半導(dǎo)體進行電源管理。功率半導(dǎo)體還是用信息技術(shù)改進傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的擔當者,信息電路發(fā)出的指令必須經(jīng)過功率半導(dǎo)體變成功率信號才能帶動電機的使用。當前,用于4C產(chǎn)業(yè)的功率半導(dǎo)體已占功率半導(dǎo)體總量的70%多。 我國功率器件產(chǎn)業(yè)須奮起直追 國際上功率半導(dǎo)體的制造作為一個重要的技術(shù)領(lǐng)域一直在迅速發(fā)展。上世紀80年代是國際發(fā)展的重要分水嶺:功率半導(dǎo)體由電流控制發(fā)展到電壓控制,由低頻發(fā)展到高頻,由粗放的臺面制造工藝發(fā)展到精細光刻的平面制造工藝。80年代以前主要功率半導(dǎo)體器件是晶閘管(在美國稱作可控硅SCR)、柵極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、雙極功率晶體管(功率BJT,曾用GTR的名稱)以及與之配套的開關(guān)速度較慢的功率二極管。這一代功率開關(guān)的共同缺點是柵極需要電流驅(qū)動,驅(qū)動電路技術(shù)復(fù)雜、功耗大、成本高、使用不便。它們的另一缺點是工作頻率低,所需要的配套電感、電容、變壓器等體積大,從而使得設(shè)備笨重,能耗高。80年代國際上功率半導(dǎo)體發(fā)展進入一個新的階段,發(fā)展出了功率金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(功率VD-MOSFET)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT),立即成為功率半導(dǎo)體器件的主流,因為它們克服了以前的功率半導(dǎo)體器件的缺點。它們的柵極用電壓驅(qū)動,驅(qū)動電路簡單、成本低、功耗小、易于使用。其次是它們都能在幾十千赫以上的高頻工作,可以非常顯著地降低電力電子設(shè)備的體積、重量、制造成本和能耗。 當前,在國際上功率半導(dǎo)體領(lǐng)域中1980年以后發(fā)展起來的新型功率半導(dǎo)體器件約占4/5以上,而以前的傳統(tǒng)功率半導(dǎo)體只剩下不到1/5的份額。尤其需要指出的是,1980年后發(fā)展起來現(xiàn)代高頻功率半導(dǎo)體器件VD-MOSFET、IGBT、平面型快恢復(fù)功率二極管和功率集成電路都是用精細光刻和平面工藝技術(shù),使用的設(shè)備和工藝線的要求與集成電路基本相同,即超凈廠房、精細光刻、離子注入摻雜、各種CVD技術(shù)(多晶硅、氮化硅、二氧化硅等)等等,高耐壓的實現(xiàn)是依靠場板、場環(huán)而不再需要腐蝕臺面。這些制造設(shè)備與設(shè)計技術(shù)完全不同于用臺面技術(shù)和粗放光刻的晶閘管、臺面二極管、功率BJT的制造。 目前,我國功率半導(dǎo)體企業(yè)生產(chǎn)條件和產(chǎn)品大都停留在國外上世紀70年代的水平。有個別集成電路企業(yè)制造一些小電流低檔老產(chǎn)品的VD-MOSFET,IGBT、平面型快恢復(fù)和超快恢復(fù)二極管完全不能制造。因此,我國市場用的功率器件約90%依賴進口,其余約10%低檔產(chǎn)品是自己制造的。 中國在不久將成為功率半導(dǎo)體的世界第一大市場,根據(jù)國際權(quán)威機構(gòu)預(yù)測,2011年功率半導(dǎo)體在中國市場的銷售量將占世界整個市場的50%,每年接近200億美元。如前所述,功率半導(dǎo)體的應(yīng)用已遍及各領(lǐng)域(包括軍工)無所不在,我國的現(xiàn)代化、 信息化和國家安全都要求我國自主發(fā)展功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。
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