功率晶体管的历史和新兴设计
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发布时间：2024-10-01 09:44
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时间：2024-11-14 04:16
功率晶体管：历史的演进与新兴设计的里程碑
自电力技术的革新引领了生活的质跃，从20世纪中叶的电子开关诞生起，功率晶体管技术的进步便在高功率应用中书写传奇。最初的硅基技术，尽管受限于低增益和复杂驱动，却为达林顿晶体管的诞生铺平了道路，虽增益提升有限，但导通压降的挑战也随之而来。
70年代，CMOS技术的引入带来了革命性的转变，MOSFET家族崭露头角。D型MOSFET优化了导通电阻，而U-MOSFET则降低了阻断电压。90年代，2D电荷耦合技术催生了GD-MOSFET，其低阻抗特性使Infineon等企业的产品脱颖而出，成为主流选择。
进入微处理器和图形芯片时代，高性能MOSFET与超结(SJ) MOSFET在高电压电机驱动中大放异彩，Infineon和STMicro的产品成为行业先锋。IGBT的诞生革新了电机驱动和照明技术，虽面临闭锁问题，但通过深P+区域和高能电子辐射技术得以克服，通用电气(GE)的IGBT产品如热泵驱动和紧凑型荧光灯也随之普及。ABB和西门子等欧洲巨头则进一步优化了IGBT，降低开关损耗，沟槽栅极和窄P基极设计提升了其在交通、照明、医疗等领域的广泛应用，节能效果显著。
面对全球变暖的挑战，IGBT在清洁能源领域扮演关键角色。从1990年至2020年，IGBT助力减排181万亿英镑二氧化碳，对太阳能、风能和电动车的普及起着决定性作用。宽带隙半导体，如砷化镓和SiC，通过BFOM技术的进步，降低了电阻，推动了SiC MOSFET的快速发展。尽管SiC器件成本高，但通过高频操作和创新设计如JFET区域植入和分裂栅设计，业界正寻求降低成本和优化性能。
在H桥逆变器中，SiC以其优势减少反并联二极管需求，但恢复效应和双极退化问题挑战着工程师。创新设计如集成JBS二极管和沟槽栅极技术应用于SiC MOSFET，电场控制成为关键。通过P+屏蔽区和双沟槽设计，导通电阻和电场控制得以优化，追求的是对称、高电流饱和的开关特性。
电力电子工程师们从未停下创新的脚步。例如，集成JBSFET的单片4端双向电源开关BiDFET，不仅提升了转换效率，还展示了氮化镓(GaN)制造的高效HEMT器件的潜力。凹陷栅极设计使得HEMT具有低导通电阻，氮化镓器件更是助力构建紧凑的功率集成电路，对提升生活舒适度、推动移动性以及加速可再生能源转型至关重要。
Baliga教授，作为IGBT的奠基人，凭借其卓越贡献，赢得了多项荣誉，包括国家技术与创新奖章和北卡罗来纳州科学奖，他的名字与功率晶体管技术的发展历史紧密相连，见证了这一行业从辉煌到卓越的变迁。
