當(dāng)代功率半導(dǎo)體器件大致可以分成三類。一是傳統(tǒng)的各類晶閘管，二是近二十年來發(fā)展起來的功率MOSFET及其相關(guān)器件。三是由上述兩類器件發(fā)展起來的特大功率器件。本文將重點討論以功率MOSFET為主體的現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件，同時也將對比各種傳統(tǒng)的功率器件，探討相互間的聯(lián)系及其對電力電子技術(shù)發(fā)展的影響。
　　功率半導(dǎo)體器件的歷史可以追溯到早期的半導(dǎo)體整流元件，甚至遠溯到四十年代的氧化亞銅和硒整流器。但促使一門新學(xué)科－－電力電子學(xué)誕生的卻需歸功于晶閘管（thyristor）這個大家族，特別是具有較強逆變能力的快速和可關(guān)斷晶閘管以及大功率雙極性晶體管。因為電力電子技術(shù)是一門關(guān)于功率變換的技術(shù)。只有當(dāng)逆變用器件有一定的發(fā)展后，才能形成一門專門的學(xué)科。
　　現(xiàn)在再來回顧一下二十多年前電力電子學(xué)剛形成時的功率半導(dǎo)體器件，其變化之巨大簡直是難以想象的。許多功率半導(dǎo)體器件已經(jīng)離開歷史舞臺。而最大的變化是：功率 MOSFET從1979年誕生后，逐步改變了整個功率半導(dǎo)體器件的面貌，從而使電力電子學(xué)的范圍跨入了過去未曾涉足的信息領(lǐng)域。
晶閘管及整流元件
　　六十到七十年代是晶閘管統(tǒng)治功率器件的全盛時代，到了八十年代，晶閘管的發(fā)展已完全成熟。而九十年代，作為中小功率用的逆變器件，逐步讓位于MOSFET 或IGBT。在許多傳統(tǒng)的相控整流領(lǐng)域，開始逐步被開關(guān)整流所取代。但在特大功率范疇，雙極性器件仍明顯占主導(dǎo)地位。
　　為對比MOS器件的發(fā)展，現(xiàn)在來回憶一下晶閘管在技術(shù)方面的發(fā)展過程�？梢钥吹剑瑢ζ骷�的理解和要求是一個從靜態(tài)到動態(tài)性能逐步認識和改善的過程。
　　一. 提高發(fā)射極注入效率及控制少子壽命，使晶閘管的電流容量有了迅速提高。雙極性器件的大注入效應(yīng)使其在取得大電流能力方面，顯然優(yōu)于單極型器件。這也是其后IGBT發(fā)展的基礎(chǔ)。IGBT中的B字，即代表雙極性的意思。
　　二. 改善表面造型及表面保護，使器件有較高的耐壓和更好的可靠性。當(dāng)時已有平面型的保護環(huán)技術(shù)（后來稱為終端技術(shù)），但在高壓領(lǐng)域內(nèi)當(dāng)時并未采用。其后采用了特殊輻照摻雜的區(qū)熔硅單晶，使高壓器件有了更好的成品率。IGBT在第三到第五代的轉(zhuǎn)變中，也采用了區(qū)熔硅單晶。
　　三. 引入短路發(fā)射極原理，使發(fā)射極下基區(qū)的電阻（簡稱橫向電阻）為最小。以限制發(fā)射極在位移電流作用下產(chǎn)生注入，從而提高了器件的 電壓上升率（dv/dt）。這個原理也被MOSFET用來抑制寄生雙極性晶體管起作用。
　　四. 引入放大門極原理，或稱場引入原理。即以陽極電場引入門極周圍，以迫使導(dǎo) 通區(qū)擴展，從而改善器件的電流上升率（di/dt）。
　　五. 發(fā)展快速晶閘管（Inverter SCR）以取得較高的頻率并用于逆變電路 。 在制造 工藝上采用了降低少子壽命的方法，以降低關(guān)斷時間（tq），從而降低開關(guān)損耗。同時也 利用上述第三、四兩條原理，以更好的動態(tài)特性以符合快速開關(guān)要求。有趣的是降低少 子壽命的方法以后甚至用在不牽涉少子的多子型器件中，這是因為必須控制寄生的本征二極管的關(guān)斷特性。
　　六. 發(fā)展更為“安全”使用的晶閘管。換言之，使器件能經(jīng)受一定的電壓電流尖刺，成為更可靠的晶閘管。如近年來發(fā)展的SAFEIR。
　　七. 發(fā)展雙向晶閘管（triac）以更適合于中小功率的交流電路。各類雙向器件的設(shè)想是根據(jù)應(yīng)用的需要而產(chǎn)生的，但真正實現(xiàn)的恐怕只剩下triac。這也許是因為制造雙向器件增加了復(fù)雜性，卻又可以用單向器件去代替它。從技術(shù)而言，是更好地控制各個發(fā)射極下的基區(qū)電阻。利用橫向電阻使器件具有四象限的導(dǎo)通能力。這和提高電壓上升率的措施剛好相反。
　　八. 發(fā)展可關(guān)斷晶閘管（GTO）以使晶閘管成為可用門極自關(guān)斷的器件。從技術(shù)而言，是將晶閘管內(nèi)的兩個晶體管的增益做得盡可能小。即降低注入效率（薄發(fā)射極或逆導(dǎo)）和降低少子壽命。從而使其易于關(guān)斷。中小功率的利用PNPN原理的可關(guān)斷器件始終未能占領(lǐng)市場，這可能是因為當(dāng)“閘門”打開后，要切斷并不如一般的晶體管這么容易或是在制造成本上并不合算。
　　九. 發(fā)展塑封包裝或模塊，使器件進一步減小體積。甚至包括表面貼裝型的塑封晶閘管（SMALLIR）。為此，方片晶閘管有很大發(fā)展。也有采用平面型場終端技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的挖槽加玻璃鈍化技術(shù)。
　　十. 整流元件是始終不會衰退的器件。只是它們的性能在不斷改進。如近年來仍在不斷發(fā)展的快恢復(fù)二極管和快恢復(fù)外延二極管 。主要是希望做到恢復(fù)又快又軟，少起振蕩。 （QUIETIR）
MOSFET及其相關(guān)器件
　　八十年代是MOS器件和晶閘管并行發(fā)展的年代。到了九十年代MOS器件迅速占領(lǐng)了相當(dāng)大部分的中小功率器件市場，尤其是在逆變領(lǐng)域。
　　早期的MOS器件發(fā)展，多少沿用了傳統(tǒng)功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展思路。例如曾采用金屬外殼并發(fā)展了多種大電流MOSFET模塊。但其后MOSFET的發(fā)展就大大不同于傳統(tǒng)器件。它首先在開關(guān)電源方面取得了迅速發(fā)展，提高電路效率成為其更重要的任務(wù)。目前它的應(yīng)用范圍主要有通信（包括手機）、汽車、電腦及便攜式電器、工業(yè)、航天、家電、辦公用品等等。目前其世界市場約為二三十億美元。
　　由于應(yīng)用范疇的變化，MOSFET的發(fā)展必須符合新的要求。對電腦CPU而言，要求MOSFET用于愈來愈低電壓的電源。對便攜式電源而言，降低損耗縮小體積又成 為首要任務(wù)。 所以我們會看到愈來愈低電壓、愈來愈小的器件。但也不能只考慮低電壓器件的發(fā)展。如對汽車而言，要配合汽車電源向42伏的轉(zhuǎn)移，則器件電壓要比傳統(tǒng)汽車用的更高些。電視、顯示器、照明等等仍需要市電電壓�？照{(diào)器等，還需用IGBT以運行稍大的功率。工業(yè)應(yīng)用時，如焊接電源，就更需用IGBT模塊了。
　　但從技術(shù)的發(fā)展來看，MOS型器件的發(fā)展和上述晶閘管的發(fā)展也有相似之處，即從靜態(tài)到動態(tài)的逐步深化的認識和改進過程。據(jù)稱：IR公司在發(fā)展更好的MOSFET性能中，經(jīng)歷了如下過程：BV(82)-Rds(86)-Qg(95)-Qgsw(97)-Rg(99)-dv/dt,didt(99)-Coss(99)-Rθ(00)�，F(xiàn)就主要參數(shù)的改進，簡略地列出下述各條 ：（請參閱P.14“功率MOSFET及其發(fā)展淺說”－－2000）
　　一、降低Rdson以增加其電流容量（或降低功率損耗）。其方法有：增加原胞密度，采用溝槽式（Trench）結(jié)構(gòu)等等。
　　二、采用一定的終端設(shè)計。或特殊結(jié)構(gòu)以改善電壓和電流的關(guān)系。
　　三、發(fā)展IGBT，以增加器件的功率容量（VxI）。IGBT的進一步改進是采用區(qū)熔單晶片以代替外延片，以增加器件的耐用性。特別是指1200伏的IGBT。
　　四、降低柵電荷Qg，從而減小開關(guān)損耗。或改變原胞結(jié)構(gòu)為條狀（Stripe）結(jié)構(gòu)以降低柵電荷。
　　五、減小基區(qū)橫向電阻，以增加電壓上升率和抵抗電壓尖刺的能力。
　　六、降低其本征二極管的少子壽命，以保證恢復(fù)時二極管的有效關(guān)斷。同時也應(yīng)提高二極管的雪崩能力，以承受反向電流上升率引起的電壓脈沖尖刺。
　　七、肖特基管在MOSFET應(yīng)用中扮演十分重要的角色。為增加耐壓，就有肖特基和PN結(jié)相結(jié)合的HEXFRED，這是IGBT的主要伙伴。為取得更好的軟恢復(fù)特性，就有特殊的快恢復(fù)二極管發(fā)展（FRD）。
　　八、發(fā)展功率集成電路，以配合MOSFET或IGBT的觸發(fā)或進行保護。實質(zhì)上是功率集成電路使電力電子技術(shù)取得更寬廣的發(fā)展領(lǐng)域并加快了發(fā)展過程。不同應(yīng)用范圍通常采用不同的控制集成電路。例如近期發(fā)展的電機調(diào)速用的軟啟動IC，電流采樣 IC， 驅(qū)動加保護 IC等等。
　　九、結(jié)合不同應(yīng)用發(fā)展不同特點的MOSFET，例如為同步整流發(fā)展了低電壓的具有極小Rdson的器件，對線路中的另一MOSFET則在兼顧Rdson的同時還必須使其具有很低的Qg。另一個例子是對航天應(yīng)用的MOSFET，必須采取特殊工藝使其能耐輻射。即所謂 radiation-hardened(RAD-HARD)功率MOSFET。在火星上的移動車中早已采用了該類器件。
　　十、發(fā)展組合型器件甚至子系統(tǒng)。例如在DC－DC變換中，可采用FETKY以代替 MOSFET和一個肖特基�，F(xiàn)在已把FETKY和另一個 MOSFET組合在一起，被稱為雙 FETKY（Dual FETKY）。而最新的多芯片模塊MCM也已出現(xiàn)，那是在Dual FETKY 基礎(chǔ) 上又把脈寬調(diào)制 集成電路 PWM IC 也組合在內(nèi)。再進一步的發(fā)展將把 MCM 再集成在 一個更大的厚膜電路內(nèi)，說明器件的發(fā)展正逐步趨向于制造愈益完整的子系統(tǒng) 。
　　十一、發(fā)展專用模塊。除了大家已比較熟悉的IPM外，現(xiàn)在已有了用于調(diào)速系統(tǒng)的更為完整的模塊。此外正在發(fā)展的還有APM及許多專為汽車電子設(shè)計的專用模塊。這與第十項所提的有許多相似之處。實際上，從單芯片到多芯片，從厚膜電路到模塊，無非是考慮更合適的包裝和更有利的功率耗散而已。
　　十二、發(fā)展不同的引線焊接方法和外殼包裝。由于芯片的Rdson已大幅度下降，在某些器件中，引線電阻已到了可和芯片內(nèi)阻可比擬的程度。因而也有舍棄了常規(guī)的超聲焊鋁絲而改用銅帶焊接（Copper Strap）的器件。對常規(guī)包裝也設(shè)法稍作改變以焊上更大的芯片，如被稱為Fullpak的TO220及TO247器件等等。由于應(yīng)用的需要也正在發(fā)展愈來愈小的外殼。最新的發(fā)展是：一種無外殼的FlipFET已經(jīng)誕 生。這是一種相當(dāng)神奇的 MOSFET ， 因為漏和源的電極居然都在同一個表面上。 被譽為是具有最大芯片和管腳比（即100％）的器件。
　　從上面的敘述來看，雖然晶閘管和MOSFET應(yīng)用范圍相當(dāng)不同，但其性能改進的思路是類似的。由于MOSFET的發(fā)展涉及面很廣，上面的敘述顯然還不能包括全部。如果詳細介紹，將會占很大的篇幅。
　　功率半導(dǎo)體器件更進一步的發(fā)展有可能采用新的半導(dǎo)體材料，現(xiàn)在在專業(yè)會議上討論比較多的有碳化硅器件。另外鍺硅和鎵砷材料也有可能發(fā)展。但硅材料在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)仍會占主導(dǎo)地位。
特大功率器件
　　它是從傳統(tǒng)晶閘管發(fā)展起來的。但由于MOS型器件的出現(xiàn)，它又取得了新的思路和發(fā)展的途徑。簡略來說，它們包括： 一、SCR：晶閘管的容量仍在繼續(xù)擴大，現(xiàn)在的商品已有了采用五英寸硅片的單個高壓器件。其電壓已達七八千伏。
　 二、GTO：在自關(guān)斷大功率半導(dǎo)體器件方面，現(xiàn)在正在向三個方面發(fā)展，首先是傳統(tǒng)可關(guān)斷晶閘管（GTO）的發(fā)展，其商品容量已達6000伏3000安。
　 三、IGBT：由MOSFET發(fā)展起來的IGBT自然是另一種自關(guān)斷器件，大功率器件制造廠 正在迅速增大IGBT容量，有模塊型，也有傳統(tǒng)的大餅型。其最高電壓已能達4500 伏，電流可為1800安。
　 四、IGCT：這是一種特殊結(jié)構(gòu)的GTO（如透明陽極，即陽極少子注入率極低的GTO）和特殊的外圍MOS關(guān)斷電路組合在一起的器件。由于其門極關(guān)斷電路的感抗特低，所以可以瞬時流過極大的關(guān)斷電流去關(guān)斷GTO。目前電壓可達4500到6000伏，電流可達250－4000安。上述三種自關(guān)斷器件在工藝上都有相互借鑒之處。當(dāng)然在應(yīng)用中也各有其適用的方向。
　　這些大功率器件對我國的電力系統(tǒng)，高壓直流輸電，大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，鐵路、地鐵、輕軌車牽引等方面，都具有關(guān)鍵意義。
　　當(dāng)年Newell曾以“浮現(xiàn)于被遺忘的地帶”為篇名介紹了電力電子學(xué)這門邊緣學(xué)科。此后美國的電氣電子工程師協(xié)會IEEE專門為這門學(xué)科設(shè)立了電力電子學(xué)會。我國的電力電子工作者，在更早的時候就開始籌建電力電子學(xué)會。在八十年代初，這個學(xué)會有了很快的發(fā)展。在相似時間成立的中國電源學(xué)會，現(xiàn)在也已成為發(fā)展新型電力電子技術(shù)的主要力量。電力電子技術(shù)在中國早就不再是位于一個被遺忘的地帶，它不僅曾經(jīng)為我國的電力、重工業(yè)、輕工業(yè)、交通的發(fā)展作出了貢獻，近年來也正在為信息產(chǎn)業(yè)的騰飛提供最好的能源。功率半導(dǎo)體則是運用各種電力電子技術(shù)的必要工具。
　　表一列出了各種主要功率半導(dǎo)體器件，也暫且把它們分為三類：即傳統(tǒng)的雙極性器件，MOSFET及其相關(guān)器件，特大功率器件等。請對比七十年代后期的一棵功率半導(dǎo)體器件“大樹”（請參閱P.44）以及八十年代后期的一棟功率半導(dǎo)體器件的“對稱建筑”（請參閱P.30），可以看出這二十年來變化之巨大。表二列出了一個大致的鳥瞰圖。對市場作一個粗略的圖示。這些只是一些十分簡略的介紹，離開全貌還有不少距離。希望以后還能進一步補充。