功率二极管向高压、高速、低损耗方向发展

功率二极管是功率半导体器件的重要分支。目前商业化的功率二极管主要是PiN功率二极管、肖特基势垒功率二极管和同步整流器。PiN功率二极管有着耐高压、大电流、低泄漏电流和低导通损耗的优点，但电导调制效应在漂移区中产生的大量少数载流子降低了关断速度，限制了电力电子系统向高频化方向发展。具有多数载流子特性的肖特基势垒功率二极管有着极高的开关频率，但其串联的漂移区电阻有着与器件耐压成2.5次方的矛盾关系，阻碍了肖特基势垒功率二极管的高压大电流应用，加之肖特基势垒功率二极管极差的高温特性、大的泄漏电流和软击穿特性，使得硅肖特基势垒功率二极管通常只工作在200伏以下的电压范围内。

为了获取高压、高频、低损耗功率二极管，研究人员正在两个方向进行探索。一是采用新材料研制肖特基势垒功率二极管，二是沿用成熟的硅基器件工艺，通过新理论、新结构来改善高压二极管中导通损耗与开关频率间的矛盾关系。砷化镓(GaAs)肖特基势垒功率二极管虽然已经获得应用，但其1.42eV的禁带宽度和仅1.5倍于硅材料的临界击穿电场，使得GaAs肖特基势垒功率二极管也只能工作在600伏以下的电压范围内，远远不能满足现代电力电子技术的发展需要。碳化硅(SiC)材料以其宽的禁带宽度、高的临界击穿电场、快的饱和速度、高的热导率、高硬度、强抗化学腐蚀性和可与Si相比较的迁移率特性，以及其较为成熟的材料制备和制作工艺，成为目前发展最快的宽带半导体材料，是功率半导体器件的研究热点。在由美国海军资助的MURI项目中，Purdue大学研制成功4900伏的SiC肖特基势垒功率二极管。2000年5月，美国CREE公司与日本关西电力公司(KEPCO)联合研制成功世界上第一只超过1.2万伏的SiC二极管，这只耐压高达12.3KV的二极管，正向压降在电流密度为100A/cm2时仅为4.9V，目前CREE与KEPCO研制的SiC二极管耐压已高达19.2KV。在硅基功率二极管方面，结合PN结低导通损耗、优良的阻断特性和肖特基势垒二极管高频特性两者优点于一体的JBS、MPS、TMBS、TMPS等新器件正逐渐走向成熟。此外，为开发具有良好高频特性和优良导通特性的高压快恢复二极管，许多通过控制正向导通时漂移区少数载流子浓度与分布的新结构，如SSD、SPEED、SFD、ESD、BJD等也不断出现。美国国家工程中心电力电子系统中心(CPES)提出的MOS控制二极管(MCD)，通过单片集成的MOSFET控制PiN二极管的注入效率，使MCD正向导通时既能有PiN二极管的大注入效应，在关断时又处于低的甚至零过剩载流子存储状态，从一个全新的角度提出了改善高压二极管中导通损耗与开关频率间矛盾关系的新方法。

随着VDSM(超深亚微米)工艺的发展，微处理器、通信用二次电源等都需要低电压大电流功率转换器。随着功率变换器输出电压的降低，整流损耗成为转换器的主要损耗。为使变换器效率达到90%以上，传统的肖特基势垒整流器已不再适用，一种利用功率MOSFET低导通电阻特点的同步整流器(SR)及同步整流技术应运而生，低导通损耗功率MOSFET的迅速发展为高性能同步整流器提供了强大的物质基础。

半导体功率开关器件新品频出

在半导体功率开关器件中，晶闸管是目前具有最高耐压容量与最大电流容量的器件，其最大电流额定值为8000A，电压额定值可达12KV。但晶闸管不能用门极控制其关断，需要复杂的辅助换流关断电路。自上世纪80年代以来，一种通过门极控制其导通和关断的晶闸管———门极关断晶闸管(GTO)得到迅速发展，目前日本三菱电机公司、瑞典ABB等多家厂商能在6英寸硅片上生产6KV/6KA、频率1KHz的GTO，研制水平已达8KV/8KA。但GTO仍然有着复杂的门极驱动电路、低耐量的di/dt和dV/dt以及小的安全工作区，在工作时需要一个庞大的吸收电路。针对GTO的上述缺陷，在充分发挥GTO高压大电流下单芯片工作和低导通损耗的基础上，由MOS栅控制且具有硬关断能力的新型大功率半导体器件不断涌现，其典型代表为瑞典ABB公司和日本三菱电机公司生产的集成栅换流晶闸管、美国硅功率公司提出的MOS关断晶闸管和由美国CPES黄勤教授提出的发射极关断晶闸管。

双极型功率晶体管仍占一席之地

双极型功率晶体管虽然存在二次击穿、过流能力低等缺点，学术界也一直有双极型功率晶体管将被功率MOSFET和绝缘栅双极晶体管所取代的观点，但由于其成熟的加工工艺、极高的成品率和低廉的成本，使双极型功率晶体管仍然在功率开关器件里占有一席之地，且近年来国际上正采用一些先进的超大规模集成电路工艺(如RIE)和EDA工具改善其电特性。笔者最近提出的一种新结构就可在保持双极型功率晶体管其他电特性不变的情况下，通过优化设计，提高其电流增益三倍以上。

由于双极型功率器件必须提供较大的控制电流，而使门极控制电路非常庞大，功率变换系统的体积和重量增大，效率降低。随着新型功率MOS器件的发展，MOS型功率器件及以其为基础的新型压控型功率器件在电力电子装置中得到广泛应用。压控器件