功率器件 (Power Devices) 通常也稱(chēng)為電力電子器件，是專(zhuān)門(mén)用來(lái)進(jìn)行功率處理的半導(dǎo)體器件。功率器件具有承受高電壓、通過(guò)大電流的能力，處理電壓的范圍可以從幾十伏到幾千伏，通過(guò)電流的能力最高可達(dá)幾千安。功率器件大量應(yīng)用于高壓電傳輸，如變電站、儲(chǔ)能設(shè)備，以及功率電子設(shè)備，如伺服驅(qū)動(dòng)、變頻器、電機(jī)保護(hù)器等。在這些應(yīng)用里，系統(tǒng)依賴(lài)功率器件實(shí)現(xiàn)變壓、變頻、功率管理等各種功能。

常見(jiàn)的功率器件有大功率晶體管 (Power MOSFET)、晶閘管 (Thyristor)雙向 (Triode for Alternating Current，TRIAC) 晶閘管、柵極關(guān)斷 ( Gate Turn-Off，GTO) 晶閘管、絕緣柵雙極晶體管 (Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)、集成柵極換流晶閘管 (Integrated Gate Commutated Thyristor，IGCT)、發(fā)射極關(guān)斷(Emitter Turn-0ff，ETO) 晶閘管、MOS 門(mén)控晶閘管 (MOS Controlled Thyristor，MCT)。早期的功率器件主要為大功率二極管、晶閘管等，應(yīng)用也通常僅限于工業(yè)和電力系統(tǒng)。后來(lái)隨著功率金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管器件和各種新型功率器件如 IGBT 的快速發(fā)展，功率器件的應(yīng)用變得越來(lái)越廣泛。

功率器件的分類(lèi)有下列幾種方法。

根據(jù)開(kāi)關(guān)特性的不同，功率器件可分為兩種。①半控型器件:器件的柵極(早期也稱(chēng)門(mén)極)信號(hào)只能控制器件導(dǎo)通但不能控制器件關(guān)斷，如 SCR。②全控性器件: 器件的柵極信號(hào)既能控制器件導(dǎo)通又能控制器件關(guān)斷，如三極管、IGBT、IGCT、ETO 晶閘管、MCT、GTO 晶閘管等。

功率器件的控制極有柵極、基極等不同類(lèi)型，因此根據(jù)控制極信號(hào)類(lèi)型的不同，功率器件可分為兩種。①電流控制型器件: 控制極的控制信號(hào)是電流的流入或流出，如 SCR。②電壓控制型器件: 控制極的控制信號(hào)是電壓，控制極損耗的電流很小，如 IGBT。

根據(jù)導(dǎo)電載流子的不同，功率器件可分為三種。①單極器件: 只有一種載流子參與導(dǎo)電，如 MOSFET。②雙極器件: 由電子和空穴共同參與導(dǎo)電，如BJT。③混合型器件:由單極器件和雙極器件組合而成的器件，如 IGBT。

從技術(shù)上講，功率器件正向著提高快速恢復(fù)性能、降低導(dǎo)通電阻、提高電流控制能力、提高額定耐壓、提高耐溫與降低功耗等方向發(fā)展。

隨著硅基功率器件和工藝的漸漸成熟，其性能已逐步逼近材料極限，要取得突破性的進(jìn)展就需要采用具有更高性能極限的材料。而寬禁帶半導(dǎo)體材料，如氮化鎵 (GaN)、碳化硅 (SiC) 等，具有臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高、電子飽和速率高、耐高溫、抗輻射等優(yōu)勢(shì)，使用寬禁帶半導(dǎo)體材料制作的功率器件也已進(jìn)入商用市場(chǎng)，而系統(tǒng)設(shè)計(jì)者對(duì)寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)品的使用程度將決定市場(chǎng)成長(zhǎng)的速度。

GaN 在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域以功率放大、整流和高頻切換等應(yīng)用為主，在 300V~1kV的中壓電力電子市場(chǎng)成長(zhǎng)快速。此外，節(jié)能產(chǎn)業(yè)對(duì)高效率中高壓變頻器的需求也會(huì)加速 GaN 功率半導(dǎo)體市場(chǎng)的成長(zhǎng)。采用 MOCVD 方法在藍(lán)寶石基板上生長(zhǎng) GaN 薄膜的技術(shù)在LED 產(chǎn)業(yè)已十分成熟，故在新興的電力電子市場(chǎng)，發(fā)展以 MOCVD 在大尺寸的 Si 基板上形成 GaN-on-Si 結(jié)構(gòu)來(lái)制作功率器件的技術(shù)極具產(chǎn)業(yè)化潛力。

SiC 的阻斷電壓遠(yuǎn)比 GaN、功率 MOS 管及硅 IGBT 要高，適合用在高于 1kV的高壓及大電流的電力電子領(lǐng)域，主要市場(chǎng)以鐵路交通和高壓電網(wǎng)等為主，但穩(wěn)定性及較長(zhǎng)的生命期是主要需要考慮的因素。此外，美國(guó) Cree 公司也已量產(chǎn)GaN-on-SiC 結(jié)構(gòu)的微波器件。

審核編輯：湯梓紅