功率半导体行业报告（31页）

行业报告下载 2019年12月12日 07:25 管理员

对于半导体器件而言，其关键性质是在一定温度区间内，电导率可以通过掺杂手段加以控制。对于电中性的 IV 主族、III-V 主族半导体等而言，进行 V 主族元素掺杂，会增加电子作为多数载流子，形成施主能级，并获得 N 型半导体；进行 III 主族元素掺杂，会增加空穴作为多数载流子，形成受主能级，并获得 P 型半导体。半导体功能的实现受到基体材料理化性质的限制。首先，基体材料需要有一个较宽的能隙，以确保在没有掺杂的情况下，本征载流子浓度低于最轻掺杂区掺杂浓度的温度上限较高，且临界击穿场强较高；能隙也不应过宽，致使自建电势和门槛电压过高。其次，基体材料在禁带中的能级应尽可能少，使得阻断电压高、漏电流低。再次，基体材料需要有足够高的自由载流子迁移率（电子迁移率高于空穴，故以电子迁移率为准），使得相应功率半导体器件的最大允许电流密度较高。而且，基体材料需要有足够高的载流子饱和漂移速度（同样以电子迁移率为准），使得相应功率半导体器件的最大允许频率较高。最后，稳定的化学性质、较高的热导率等对高性能器件的实际应用也具有重要作用。典型半导体材料包括以锗为代表的第一代半导体材料，以硅为代表的第二代半导体材料，和以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体材料（均为单晶材料）。

其中，锗因为能隙太小，允许的工作温度上限仅为 70℃，不是主流的功率器件材料；硅综合性能均衡、单晶生产成本低、易制备二氧化硅绝缘层，是最广泛应用的半导体、功率器件材料；碳化硅（晶体结构多样，其中 4H 晶型综合性能最优越）禁带宽，击穿场强大，虽然电子迁移率稍低但可进行更重的掺杂，也可制备二氧化硅绝缘层，且热导率高便于散热，故耐高压大电流、有更低的导通和开关损耗，性能优越，成本高；氮化镓高频特性好，但以碳化硅为衬底外延是主要生产方法，成本更高，且热导是短板。综合各种因素，硅和碳化硅最适于作为新能源汽车功率半导体的基础材料。常用的功率半导体器件包括功率二极管（Power Diode，含 pin 二极管/肖特基二极管）、双极型晶体管（BJT）、晶闸管（SCR）、门极可关断晶闸管（GTO）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。不同类型功率半导体器件的对电信号可控程度、驱动信号、有效信号波形、载流子参与导电情况可能不同。

对于仍然采用硅基材的纯电动车型电控用功率半导体，有必要以较低的开关速度、较高的驱动功率与开关损耗、较复杂的驱动电路和二次击穿危险为代价，将栅极（即图中门极）通过一层氧化膜（p+层）与发射极实现电隔离，应用相当于 MOS 和 BJT 组合的，耐压能力、电流密度及最大功率更高，高压条件下导通电阻更低的 IGBT 器件。

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