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發展功率半導體產業迫在眉睫

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作者: 時間:2007-11-22 來源:中國電子報 收藏
  器件的主要應用領域是開關電源、電機驅動與調速、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的另一重要應用領域是發電、變電與輸電,這就是原本意義上的電力電子。任何電器設備都需要電源(盡管有些設備電源是內置在機箱中),任何用電機的設備都需要電機驅動(小至計算機風扇和家電,大至礦山機械、電氣機車、軋鋼機等等)。

功率半導體擔當節能重任

  功率半導體已在國民經濟各領域和國防工業中無所不在。可以用下面的比喻來說明功率半導體的重要性。若用一臺電器比喻一個人,大規模集成電路的作用是接受和處理信息,好比人的大腦,功率半導體的作用之一是構成電源為機器提供能量,這好比人的心臟;功率半導體的另一個作用執行大腦的指令去驅動電機進行所需的工作,這好比人的四肢。因此,功率半導體與大規模集成電路這兩類半導體器件是同等重要而不能相互取代的。

  我國當前發展功率半導體的首要意義在于節約電能。為解決能源短缺的問題,除了“開源”之外,“節流”的潛力也是十分巨大的,而節流的首要措施就是功率半導體的發展及推廣其應用。例如,據權威部門統計,我國用于電機的電能占我國總發電量的60%多。如果全國電機的驅動都采用功率半導體進行變頻調速就可以節能大約1/4到1/3,也就是說可節約全國總發電量的15%至20%。這是多么驚人的數字。

  功率半導體是信息產品、計算機、消費電子和汽車這4C產業的基礎產品,這是功率半導體迅速發展的另一個重要驅動力。舉例來說,計算機和網絡存儲器的CPU電源是由幾十安培乃至幾萬安培的功率半導體構成,功率半導體的改進(例如提高頻率)可以顯著減小電源的能耗和減小設備的體積;每輛汽車有十幾個乃至幾十個由功率半導體控制的電機,甚至連電子點火都是功率半導體;家電的冰箱、空調、洗衣機等都依賴功率半導體變頻調速來節能并舒適化;手機是用功率半導體進行電源管理。功率半導體還是用信息技術改進傳統產業的擔當者,信息電路發出的指令必須經過功率半導體變成功率信號才能帶動電機的使用。當前,用于4C產業的功率半導體已占功率半導體總量的70%多。

我國功率器件產業須奮起直追

  國際上功率半導體的制造作為一個重要的技術領域一直在迅速發展。上世紀80年代是國際發展的重要分水嶺:功率半導體由電流控制發展到電壓控制,由低頻發展到高頻,由粗放的臺面制造工藝發展到精細光刻的平面制造工藝。80年代以前主要功率半導體器件是晶閘管(在美國稱作可控硅SCR)、柵極可關斷晶閘管(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速度較慢的功率二極管。這一代功率開關的共同缺點是柵極需要電流驅動,驅動電路技術復雜、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,從而使得設備笨重,能耗高。80年代國際上功率半導體發展進入一個新的階段,發展出了功率金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(功率VD-MOSFET)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT),立即成為功率半導體器件的主流,因為它們克服了以前的功率半導體器件的缺點。它們的柵極用電壓驅動,驅動電路簡單、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備的體積、重量、制造成本和能耗。

  當前,在國際上功率半導體領域中1980年以后發展起來的新型功率半導體器件約占4/5以上,而以前的傳統功率半導體只剩下不到1/5的份額。尤其需要指出的是,1980年后發展起來現代高頻功率半導體器件VD-MOSFET、IGBT、平面型快恢復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,使用的設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(多晶硅、氮化硅、二氧化硅等)等等,高耐壓的實現是依靠場板、場環而不再需要腐蝕臺面。這些制造設備與設計技術完全不同于用臺面技術和粗放光刻的晶閘管、臺面二極管、功率BJT的制造。

  目前,我國功率半導體企業生產條件和產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制造一些小電流低檔老產品的VD-MOSFET,IGBT、平面型快恢復和超快恢復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%低檔產品是自己制造的。

  中國在不久將成為功率半導體的世界第一大市場,根據國際權威機構預測,2011年功率半導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,功率半導體的應用已遍及各領域(包括軍工)無所不在,我國的現代化、信息化和國家安全都要求我國自主發展功率半導體產業。


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