絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-04
絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的實例教程
受到這種有潛力的生物學功能的啟發，具有橫向和縱向導電通道的浮柵存儲晶體管被提出來模擬生物突觸的信號傳遞以及學習過程。然而絕大多數晶體管都是單極型電荷捕獲，同時具有較大的操作電壓以及很高的能耗。因此，開發簡單溶液法制備的低操作電壓的雙極型突觸晶體管不僅能大大減少集成能耗，還能提高突觸權重可調節范圍。
【成果簡介】
深圳大學周曄研究員和韓素婷副教授等在柔性場效應晶體管中第一次采用簡單的溶液法制備的C60和PMMA的混合體系作為浮柵層和隧穿層，系統性研究柔性晶體管在不同形貌下的電學性質，包括窗口，開關比，保持時間以及耐力屬性等等，同時成功模擬了生物突觸的多種學習與記憶功能，對今后有機突觸晶體管的開發有一定的指導和借鑒意義。
相應工作以“Gate-Tunable Synaptic Plasticity through Controlled Polarity of Charge Trapping in Fullerene Composites”為題，發表在Advanced Functional Materials (2018, 1805599)上，共同第一作者為深圳大學高等研究院研究生任意及電子科學與技術學院本科生楊嘉欽。
【圖文導讀】
圖1
柔性晶體管的表征以及電學性能
a.三維柔性晶體管器件示意圖。
b. 器件的橫截面SEM圖像側視圖。
c. 均勻并五苯薄膜的AFM形貌圖。
d. PET基底上不同比例C60和PMMA混合層的吸收光譜。
e. 只包含PMMA的晶體管的轉移特性曲線；插圖是制備的柔性器件圖。
f.器件的輸出特性曲線。
g-i.
展開 具體來說，碳化硅（SiC）可作為襯底主要應用在功率半導體與射頻半導體領域，而由導電型碳化硅襯底制成的功率半導體器件包括：結勢壘肖特基功率二極管（JBS）、PiN功率二極管和混合PiN肖特基二極管（MPS）；金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）、雙極型晶體管（BJT）、結型場效應晶體管（JFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和門極可關斷晶閘管（GTO）等，能夠應用于電子電氣領域中新能源汽車、光伏發電等方面。眾多新能源車企已經開始將SiC應用于其新能源汽車的主控電路中。
碳化硅（SiC）在新能源汽車領域的應用及優勢有：
1.新能源汽車直流充電樁：減積減重；提高充電效率至少1%，達到96%以上的轉化效率；由于SiC功率器件對溫度依賴性較低，提高夏季高溫時段電能轉化效率；降低電能損耗，提升大型充電站的經濟效益；充電樁系統成本與硅基基本持平，性價比較高。
2.新能源汽車車載充電機（OBC）：減積減重、提高效率、降低損耗。
3.新能源汽車電機驅動系統：利用SiC功率模塊體積比硅基模塊縮小1/3~2/3，減積減重；電力損耗減少47%，開關損耗85%，提升電力使用效率；開關頻率可達硅基IGBT10倍以上，提高開關頻率將顯著減小電感器、電容器等周邊部件的體積和成本。減積減重；發熱量也只有硅器件的1/2，有非常優異的高溫穩定性，散熱處理更容易，散熱體積減小，可使得車輛冷卻系統的體積減少60%，甚至消除了二次液體的冷卻系統，減積減重；可實現逆變器與馬達一體化，減積減重。可綜合提高新能源汽車5%~10%左右的續航里程。
不過，由于第三代半導體仍是個新興技術，全球市場處于初期階段，歐美、日本等由于產業起步較早，發展較為成熟，近年來還不斷擴大產能，推動產業鏈協同，目前仍占據著產業主要話語權。
展開 （一）功率半導體器件技術
電機控制器的發展以功率半導體器件為主線，正從硅基絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、傳統單面冷卻封裝技術，向寬禁帶半導體（如SiC、GaN等）、定制化模塊封裝、雙面冷卻集成等方向發展。同時，得益于成熟的技術迭代，以及相比于寬禁帶半導體器件更低的成本，硅基IGBT仍然是當前與未來較長時間內電機控制器產品的主要選擇。
在硅基IGBT芯片技術上，英飛凌科技公司針對新能源汽車市場高功率密度需求，已研發出EDT2芯片技術，實現了750V/270A IGBT芯片量產，富士集團等日本廠商也都相繼研發出了高功率密度IGBT芯片技術，并已批量應用于汽車IGBT模塊產品。此外，與硅基器件（如IGBT、MOSFET等）相比，SiC器件屬于第三代半導體材料功率器件，具有高熱導率、耐高溫、禁帶寬度大、擊穿場強高、飽和電子漂移速率大等優勢，結溫耐受可以達到225 ℃甚至更高，遠高于當前硅基IGBT 175 ℃的最高應用結溫。SiC器件開關速度更快，可應用于更高的開關頻率，更適用于高速電機的控制。同時，相比硅基IGBT，SiC器件的開關損耗和導通損耗均大幅降低，有助于降低整車百千米耗電量，提升整車續航里程[1]。但是當前SiC器件成本仍遠高于硅基IGBT，這成為阻礙SiC器件推廣的重要因素。
同時，銅線鍵合、芯片倒裝、銀燒結、瞬態液相焊接等新型封裝技術可以提高IGBT功率模塊的載流密度與壽命，因此也成為當前的研究熱點。目前，電裝、德爾福、英飛凌、株洲中車時代電氣股份有限公司等已研制出基于雙面冷卻的IGBT模塊與電機控制器產品，部分已隨整車產品獲得批量應用。基于硅基IGBT的電機控制器設計在未來相當長一段時間內仍將為市場的主流選擇，硅基IGBT器件芯片與功率模塊封裝技術將在不斷的優化迭代中獲得提升。
展開 （一）功率半導體器件技術
電機控制器的發展以功率半導體器件為主線，正從硅基絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、傳統單面冷卻封裝技術，向寬禁帶半導體（如SiC、GaN等）、定制化模塊封裝、雙面冷卻集成等方向發展。同時，得益于成熟的技術迭代，以及相比于寬禁帶半導體器件更低的成本，硅基IGBT仍然是當前與未來較長時間內電機控制器產品的主要選擇。
在硅基IGBT芯片技術上，英飛凌科技公司針對新能源汽車市場高功率密度需求，已研發出EDT2芯片技術，實現了750V/270A IGBT芯片量產，富士集團等日本廠商也都相繼研發出了高功率密度IGBT芯片技術，并已批量應用于汽車IGBT模塊產品。此外，與硅基器件（如IGBT、MOSFET等）相比，SiC器件屬于第三代半導體材料功率器件，具有高熱導率、耐高溫、禁帶寬度大、擊穿場強高、飽和電子漂移速率大等優勢，結溫耐受可以達到225 ℃甚至更高，遠高于當前硅基IGBT 175 ℃的最高應用結溫。SiC器件開關速度更快，可應用于更高的開關頻率，更適用于高速電機的控制。同時，相比硅基IGBT，SiC器件的開關損耗和導通損耗均大幅降低，有助于降低整車百千米耗電量，提升整車續航里程[1]。但是當前SiC器件成本仍遠高于硅基IGBT，這成為阻礙SiC器件推廣的重要因素。
同時，銅線鍵合、芯片倒裝、銀燒結、瞬態液相焊接等新型封裝技術可以提高IGBT功率模塊的載流密度與壽命，因此也成為當前的研究熱點。目前，電裝、德爾福、英飛凌、株洲中車時代電氣股份有限公司等已研制出基于雙面冷卻的IGBT模塊與電機控制器產品，部分已隨整車產品獲得批量應用。基于硅基IGBT的電機控制器設計在未來相當長一段時間內仍將為市場的主流選擇，硅基IGBT器件芯片與功率模塊封裝技術將在不斷的優化迭代中獲得提升。
展開 而由導電型碳化硅襯底制成的功率半導體器件包括：結勢壘肖特基功率二極管（JBS）、PiN功率二極管和混合PiN肖特基二極管（MPS）；金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）、雙極型晶體管（BJT）、結型場效應晶體管（JFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和門極可關斷晶閘管（GTO）等，能夠應用于電子電氣領域中新能源汽車、光伏發電等方面。而由半絕緣型襯底制成的射頻半導體器件包括射頻開關、LNA、功率放大器、濾波器等，可廣泛應用于5G通訊、衛星、雷達等領域。
氮化鎵（GaN）
目前氮化鎵單晶生長尺寸在2英寸和4英寸，一般不作為襯底材料，而是采用異質外延技術生長GaN-on-SiC器件、GaN-on-Si器件以及藍寶石基氮化鎵外延器件等。在器件及應用方面，首先，GaN-on-SiC器件、GaN-on-Si器件可作為微波射頻器件，應用于5G 通信、雷達預警、衛星通訊等方面。
此外，GaN寬帶隙功率晶體管可以在高壓和高開關頻率條件下提供高功率效率，使其能夠應用于智能電網、高速軌道交通、新能源汽車、消費電子等電力電子方向，其性能遠遠超過硅MOSFET產品。根據Yole數據，GaN射頻全球市場在2018年為6.45億美元，預計2024年達到約 20億美元；在GaN電源市場方面，受消費者快速充電器應用推動，到2024 年全球市場規模將超過3.5億美元。基于硅襯底GaN還可制造藍光LED和白光LED，GaN因其材料的高頻特性是制備紫外光器件的良好材料，可應用在包括滅火抑爆系統、紫外制導、紫外通信等在內的軍事領域，以及火焰探測、電暈放電檢測、醫學監測診斷等在內的民用領域。
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絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的最新內容
DC-AC逆變器包含有絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）或碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管（SiC MOSFET）功率器件，這些器件通過印刷電路板（PCB）或功率母排相連。這些電源半導體器件可作為高速開關，“開”“關”電機的大電流和高電壓，以模擬正弦電流波形。
DC-DC轉換器：DC-DC轉換器可調節電池的高壓DC輸出，提供為照明、娛樂系統或空調等輔助系統供電所需的低壓DC電源。
關鍵詞：導熱聚合物 聲子傳遞 有序結構 取向 氫鍵
01
前言
大功率及高能量密度的電子器件如 5G 網絡基站、電動汽車電池系統、CPU 芯片、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等面臨著因高熱通量、不均勻溫度分布及局部過熱導致的性能、安全可靠性及壽命急劇下降，甚至起火和爆炸的危險和嚴峻挑戰，急需優良的熱管理系統以保證電子器件的長期安全可靠運行
圖14 采用導熱膠和銅棒增強散熱的水冷電機
Fig.14 Potting material and copper bars enhanced
water cooling motor
近年來，相變熱管理技術得到了飛速發展，在大功率LED、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、筆記本電腦和智能手機等高熱流密度電子器件中得到了廣泛應用。相變熱管理技術主要包括相變儲熱技術和相變傳熱技術兩大類。
而由導電型碳化硅襯底制成的功率半導體器件包括：結勢壘肖特基功率二極管（JBS）、PiN功率二極管和混合PiN肖特基二極管（MPS）；金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）、雙極型晶體管（BJT）、結型場效應晶體管（JFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和門極可關斷晶閘管（GTO）等，能夠應用于電子電氣領域中新能源汽車、光伏發電等方面。
具體來說，碳化硅（SiC）可作為襯底主要應用在功率半導體與射頻半導體領域，而由導電型碳化硅襯底制成的功率半導體器件包括：結勢壘肖特基功率二極管（JBS）、PiN功率二極管和混合PiN肖特基二極管（MPS）；金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）、雙極型晶體管（BJT）、結型場效應晶體管（JFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和門極可關斷晶閘管（GTO）等，能夠應用于電子電氣領域中新能源汽車
IGBT 模塊是由 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管芯片）與 FWD（續流二極管芯片）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產品；封裝后的 IGBT 模塊直接應用于變頻器、UPS 不間斷電源等設備上；
IGBT 模塊具有節能、安裝維修方便、散熱穩定等特點；當前市場上銷售的多為此類模塊化產品，一般所說的 IGBT 也指 IGBT 模塊；隨著節能環保等理念的推進，此類產品在市場上將越來越多見；
IGBT
蔡彥閣1，杜明星1，姚婉榮2
（1.天津理工大學 天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室
2.天津中科華盈科技有限公司）
摘 要 ：絕緣柵雙極型晶體管
（一）功率半導體器件技術
電機控制器的發展以功率半導體器件為主線，正從硅基絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、傳統單面冷卻封裝技術，向寬禁帶半導體（如SiC、GaN等）、定制化模塊封裝、雙面冷卻集成等方向發展。同時，得益于成熟的技術迭代，以及相比于寬禁帶半導體器件更低的成本，硅基IGBT仍然是當前與未來較長時間內電機控制器產品的主要選擇。
SiC-IPM 使進行轉換(開關) 的全部功率模塊元件，由傳統型的硅制功率元 件(絕緣柵雙極型晶體管IGBT) 替換為更高性能的SiC 材質的元件。新型的SiC 功率元件具有非常高的性能。
SiC-IPM 使進行轉換(開關) 的全部功率模塊元件，由傳統型的硅制功率元 件(絕緣柵雙極型晶體管IGBT) 替換為更高性能的SiC 材質的元件。新型的SiC 功率元件具有非常高的性能。
現代汽車
2021年3月25日，德國緯湃獲得現代汽車一份訂單，價值“數億歐元（超過7億人民幣）”，將為現代提供800V碳化硅逆變器。
