張為佐先生是我國(guó)著名的電力電子技術(shù)和功率半導(dǎo)體專家，長(zhǎng)期從事功率半導(dǎo)體器件的研究工作，是我國(guó)功率半導(dǎo)體器件的創(chuàng)始人之一。1958年張為佐先生來(lái)到了當(dāng)時(shí)的機(jī)械部北京電器科學(xué)研究院六室，承擔(dān)了國(guó)內(nèi)最早的電力電子器件的研制。1965年底，北京電器科學(xué)研究院六室搬遷到西安，成立機(jī)械工業(yè)部西安整流器研究所(后改名為西安電力電子技術(shù)研究所)。張為佐等一批具有獻(xiàn)身精神的工程技術(shù)人員，在條件更加艱難的環(huán)境中依然不懈追求，成為中國(guó)電力電子技術(shù)研究核心力量。到"文化大革命"前，中國(guó)電力電子器件的整體性能已接近國(guó)際水平，有些應(yīng)用技術(shù)甚至走在美國(guó)前面。70年代后期，西安成為中國(guó)電力電子技術(shù)研究中心和產(chǎn)業(yè)基地。是國(guó)家電力電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心、中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)電力電子專業(yè)協(xié)會(huì)、中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)、全國(guó)電力電子學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)等秘書(shū)機(jī)構(gòu)所在地。十年動(dòng)亂開(kāi)始后逐漸落后于西方，到了80年代中期，在功率半導(dǎo)體器件制造方面，中國(guó)與國(guó)際上的差距被拉大了。

　　張為佐性情開(kāi)朗，十年動(dòng)亂期間他克服種種困難堅(jiān)持技術(shù)理論研究，繼續(xù)跟蹤國(guó)際電力電子技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)。1979年，張先生撰寫(xiě)《略論電力電子學(xué)》一文，被業(yè)內(nèi)視為中國(guó)第一篇論述電力電子學(xué)的文章。張為佐以此文為理論基礎(chǔ)，積極倡導(dǎo)成立中國(guó)電力電子的行業(yè)組織。1980年該組織成立，第二年正式定名為中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)，張為佐出任秘書(shū)長(zhǎng)，為學(xué)會(huì)發(fā)展做了大量的工作。

　　國(guó)際電力電子業(yè)在80年代進(jìn)入新的里程。美國(guó)IR公司在1980年發(fā)明了MOS型器件，并在1986年建成世界上第一個(gè)功率MOSFET生產(chǎn)廠，這標(biāo)志著電力電子功率集成電路已經(jīng)從分立器件走向了集成化的發(fā)展之路。張為佐對(duì)國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)一直追蹤研究，并提出自己的一些獨(dú)特見(jiàn)解。1986年IR公司邀請(qǐng)張為佐赴美從事研究工作，同時(shí)，張先生積極為國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)與IR公司之間架起溝通的橋梁。加速了國(guó)內(nèi)對(duì)領(lǐng)先技術(shù)的消化和掌握。 進(jìn)入90年代后，電力電子技術(shù)與微電子工藝技術(shù)的相互滲透，智能化的功率模塊和功率集成電路，將成為業(yè)內(nèi)的研究對(duì)象和發(fā)展重點(diǎn)。張為佐又是率先對(duì)此電力電子技術(shù)作出新的定義，撰寫(xiě)大量文章，參加各種有關(guān)專業(yè)研討會(huì)，向業(yè)內(nèi)廣泛傳播這些技術(shù)，受到業(yè)內(nèi)的極力推崇和高度評(píng)價(jià)。

　　張為佐先生于2007年7月26日不幸病逝。

　　張為佐先生長(zhǎng)期從事功率半導(dǎo)體器件的研究工作，發(fā)表了大量文章。因篇幅有限，本摘錄只涉及張先生文章很少一部分，但反映了他對(duì)電力電子技術(shù)若干主要觀點(diǎn)。我們希望這些文章不僅對(duì)功率半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)制造有益，也希望對(duì)從事電力電子領(lǐng)域工作的其他人員也有幫助，為此在摘編時(shí)特別給予關(guān)注，以便讓這部分人員能順利理解這些文章的觀點(diǎn)。

　　功率半導(dǎo)體器件鳥(niǎo)瞰

　　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(lái)發(fā)展起來(lái)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(lái)的特大功率器件。

　　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(yuǎn)溯到四十年代的氧化亞銅和硒整流器。但促使一門(mén)新學(xué)科--電力電子學(xué)誕生的卻需歸功于晶閘管(thyristor)這個(gè)大家族，特別是具有較強(qiáng)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。而最大的變化是：功率 MOSFET從1979年誕生后，逐步改變了整個(gè)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(guò)去未曾涉足的信息領(lǐng)域。

　　六十到七十年代是晶閘管統(tǒng)治功率器件的全盛時(shí)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。

　　整流元件是始終不會(huì)衰退的器件。只是它們的性能在不斷改進(jìn)。如近年來(lái)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。

　　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(shí)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(kāi)始逐步被開(kāi)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(duì)比MOS器件的發(fā)展，現(xiàn)在來(lái)回憶一下晶閘管在技術(shù)方面的發(fā)展過(guò)程?？梢钥吹?，對(duì)器件的理解和要求是一個(gè)從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)性能逐步認(rèn)識(shí)和改善的過(guò)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(hù)，使器件有較高的耐壓和更好的可靠性。當(dāng)時(shí)已有平面型的保護(hù)環(huán)技術(shù)(后來(lái)稱為終端技術(shù))，但在高壓領(lǐng)域內(nèi)當(dāng)時(shí)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(jiǎn)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(gè)原理也被MOSFET用來(lái)抑制寄生雙極性晶體管起作用。

　　四. 引入放大門(mén)極原理，或稱場(chǎng)引入原理。即以陽(yáng)極電場(chǎng)引入門(mén)極周圍，以迫使導(dǎo) 通區(qū)擴(kuò)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(shí)間(tq)，從而降低開(kāi)關(guān)損耗。同時(shí)也 利用上述第三、四兩條原理，以更好的動(dòng)態(tài)特性以符合快速開(kāi)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?yàn)楸仨毧刂萍纳谋菊鞫O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(lái)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(shí)現(xiàn)的恐怕只剩下triac。這也許是因?yàn)橹圃祀p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(gè)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(mén)極自關(guān)斷的器件。從技術(shù)而言，是將晶閘管內(nèi)的兩個(gè)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(chǎng)，這可能是因?yàn)楫?dāng)“閘門(mén)”打開(kāi)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(jìn)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(chǎng)終端技術(shù)來(lái)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(huì)衰退的器件。只是它們的性能在不斷改進(jìn)。如近年來(lái)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)

　　特大功率器件

　　它是從傳統(tǒng)晶閘管發(fā)展起來(lái)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(jiǎn)略來(lái)說(shuō)，它們包括：

　　一.SCR：晶閘管的容量仍在繼續(xù)擴(kuò)大，現(xiàn)在的商品已有了采用五英寸硅片的單個(gè)高壓器件。其電壓已達(dá)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(gè)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(dá)6000伏3000安。

　　三.IGBT：由MOSFET發(fā)展起來(lái)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(dá)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(yáng)極，即陽(yáng)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(mén)極關(guān)斷電路的感抗特低，所以可以瞬時(shí)流過(guò)極大的關(guān)斷電流去關(guān)斷GTO。目前電壓可達(dá)4500到6000伏，電流可達(dá)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(duì)我國(guó)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。

　　最大的變化是：功率 MOSFET從1979年誕生后，逐步改變了整個(gè)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(guò)去未曾涉足的信息領(lǐng)域。

　　功率半導(dǎo)體器件發(fā)展的三個(gè)階段

　　功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展，大致可分為三個(gè)階段。第一階段是六十到七十年代，那時(shí)各種類型的晶閘管和大功率達(dá)林頓晶體管有很大的發(fā)展，或可稱為是雙極性的年代。其服務(wù)對(duì)象是以工業(yè)應(yīng)用為主，包括電力系統(tǒng)，機(jī)車牽引等。第二階段是八十到九十年代，由于功率MOSFET的興起，使電力電子步入了一個(gè)新的領(lǐng)域。為近代蓬勃發(fā)展的4C產(chǎn)業(yè)：即Communication，Computer，Consumer，Car(通信，電腦，消費(fèi)電器，汽車)提供了新的活力。二十一世紀(jì)前后，功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展又進(jìn)入了第三階段，即和集成電路結(jié)合愈來(lái)愈緊密的階段。當(dāng)然，這里首先需要著重說(shuō)明的是：當(dāng)功率半導(dǎo)體器件不斷發(fā)展時(shí)，前一階段的主導(dǎo)產(chǎn)品并未退出歷史舞臺(tái)。例如晶閘管至今仍是一種重要產(chǎn)品。我國(guó)近年來(lái)先后引進(jìn)超大功率晶閘管，光控晶閘管技術(shù)，為我國(guó)重大發(fā)電輸電等項(xiàng)目，提供了關(guān)鍵器件。近來(lái)又在考慮引入IGCT技術(shù)。我國(guó)在這方面應(yīng)該說(shuō)已逐步走向世界前列。從美國(guó)來(lái)看，大功率晶閘管的生產(chǎn)已愈來(lái)愈少，說(shuō)明兩國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展歷程并不完全相同。功率半導(dǎo)體器件在兩個(gè)方向上發(fā)展。左側(cè)是雙極性方向，正向著超大功率及集成化方向發(fā)展。右側(cè)是單極性方向，它正和集成電路建立了愈來(lái)愈密切的不可分割的關(guān)系。

　　功率半導(dǎo)體和微電子器件

　　一.按傳統(tǒng)功率半導(dǎo)體的方向，即希望器件能有較高的電壓，但仍有較低的內(nèi)阻或壓降。最典型的如絕緣柵雙極性晶體管IGBT，它的結(jié)構(gòu)和MOSFET十分相似。它具有MOS器件柵極絕緣和快速開(kāi)關(guān)的能力。但其功率額定值類同于晶閘管。所以被原來(lái)做電力電子技術(shù)人員賞識(shí)為功率半導(dǎo)體器件的新平臺(tái)。從IGBT的芯片來(lái)說(shuō)，更新?lián)Q代的速度也很快，如IR的第五代采用區(qū)熔硅材料的非穿通結(jié)構(gòu)(NPT)，因其有更強(qiáng)的耐用度(ruggedness)而有利于較高壓的工業(yè)應(yīng)用。近年來(lái)在此基礎(chǔ)上又發(fā)展了場(chǎng)終止(Field Stop)結(jié)構(gòu)，使IGBT芯片可進(jìn)一步減薄，例如做1200伏的FS IGBT只要用120微米厚度的硅片，從而又進(jìn)一步降低了壓降和動(dòng)態(tài)損耗。IGBT實(shí)際上也有三個(gè)方向，1)做成塑封器件，它被大量用于家電的發(fā)展。2)做成模塊形式，或者加上保護(hù)電路，觸發(fā)電路成為智能功率模塊(IPM)，這在空調(diào)設(shè)備中用得很多。近年來(lái)，IR公司正在發(fā)展一種稱為iNTERO系列的模塊。所謂intero，是意大利文，相當(dāng)于英文中的entire，也就是全部的意思。它包含了一整套從較簡(jiǎn)易到較復(fù)雜的各種模塊。如從僅含功率器件的主回路的功率集成模塊PIM/BBI(Power Integrated Module/Bridge，Brake，Inverter)開(kāi)始，發(fā)展到智能功率模塊IPM，到I2PM(內(nèi)表面絕緣的智能功率模塊)，一直到最新的程控絕緣智能功率模塊PI-IPM (Programmable Isolated-IPM)。在PI-IPM中又分為兩種類型，即已寫(xiě)入軟件的或尚未寫(xiě)入軟件等兩種。另外正在發(fā)展另一種簡(jiǎn)易型的直接插入式的模塊，稱為 "Plug&Drive"，可用于較小功率的空調(diào)和其他家電。3)在特大功率方面，IGBT也已躋身為一重要成員，例如做到6500伏的IGBT，可用來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的GTO。在這方面，一些歐洲及日本的公司都有較大的發(fā)展。

　　二.MOSFET的更為主導(dǎo)的方向是向極低內(nèi)阻等方向發(fā)展。最典型的就是在電腦中的應(yīng)用。為達(dá)到這種性能，它要求每個(gè)MOSFET由更多更小的MOSFET原胞組成。這就要求其工藝精度必須向亞微米方向發(fā)展。

　　綜上所述，功率半導(dǎo)體器件這些年來(lái)，不斷地發(fā)生了很大的變化。所以不能再以固定的眼光去看待功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展。例如不要簡(jiǎn)單地把功率半導(dǎo)體器件和可控硅畫(huà)等號(hào)，或只和分立器件畫(huà)等號(hào)。也不要把功率半導(dǎo)體和微電子器件人為地分離開(kāi)來(lái)，似乎半導(dǎo)體中只有微電子。這些都會(huì)妨礙功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展，長(zhǎng)期來(lái)說(shuō)也會(huì)妨礙微電子器件的發(fā)展。在發(fā)展戰(zhàn)略上，要避免把功率半導(dǎo)體器件列為僅需簡(jiǎn)陋工藝就可以完成的低技術(shù)產(chǎn)品。而把優(yōu)惠政策只提供給集成電路行業(yè)。我國(guó)至今沒(méi)有很好地發(fā)展現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件，缺乏對(duì)現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件的全面了解恐怕是一個(gè)因素。在信息化帶動(dòng)工業(yè)化的浪潮中，必須讓不同的半導(dǎo)體器件都有一個(gè)均衡的發(fā)展。

　　關(guān)鍵詞：電力電子 晶閘管 整流器 IGBT