智能功率集成電路中功率半導(dǎo)體器件的探析

馬俊

摘要：文章首先介紹了智能功率集成電路及功率半導(dǎo)體器件；接著分析了智能功率集成技術(shù)；最后詳細(xì)闡述了功率半導(dǎo)體器件在智能功率集成電路中的應(yīng)用，主要是智能功率集成電路功能和智能功率集成電路應(yīng)用等。

關(guān)鍵詞：智能功率；集成電路；半導(dǎo)體器件

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）12-0252-02

在當(dāng)今電力電子技術(shù)領(lǐng)域，智能功率集成電路作為應(yīng)用的最前沿，隨著綜合控制技術(shù)的快速發(fā)展，也極大地提升了電力電子技術(shù)的使用效率，同時(shí)功率半導(dǎo)體在智能功率集成電路上的應(yīng)用，也使智能功率集成系統(tǒng)大大提升了實(shí)際的應(yīng)用性能，使其工作條件需求得到有效的降低，促使應(yīng)用成本的節(jié)約，對(duì)智能功率集成系統(tǒng)大規(guī)模的推廣應(yīng)用起到了一定的促進(jìn)作用。

對(duì)于電力電子裝置來說，現(xiàn)有的一部分設(shè)備是由芯片組合而成的，芯片又是由低壓或者不同的高壓功能模塊制作而成。如果在電力電子裝置上的同一塊芯片上囊括了所有需要的功能模塊，就是單片式功率集成電路，在電力電子技術(shù)中，這是較為新穎的具有活力的發(fā)展趨勢[1]。對(duì)于電力電子技術(shù)發(fā)展的智能化進(jìn)程，單片式功率集成電路完全符合其發(fā)展需求，所以也常被記為SPIC，即是智能功率集成電路。電力電子技術(shù)從晶閘管時(shí)代一路走來，經(jīng)歷了更新?lián)Q代的核心功率器件時(shí)代，并在繼續(xù)邁向智能化、集成化、高頻化以及全控化的發(fā)展方向。智能化功率集成電路是從智能化發(fā)展而來，尤其是在節(jié)能減排的今天，得到了越來越多的應(yīng)用，每年都在不斷提升其市場占有率。

1 智能功率集成電路及功率半導(dǎo)體器件

1.1智能功率集成電路

在保護(hù)電子系統(tǒng)的前提下，當(dāng)前許多電力電子裝置都把大量的電氣和線路保護(hù)裝置應(yīng)用到電子電路系統(tǒng)中，這些保護(hù)裝置是通過并線連接各類線路狀態(tài)處理模塊進(jìn)行作用機(jī)制的創(chuàng)新，在電氣設(shè)備中，通過檢測連接進(jìn)入其中的能源，對(duì)線路中的電流類型進(jìn)行判斷，再在相應(yīng)線路狀態(tài)中進(jìn)行處理模塊的線路連接，在這一過程中，最典型的模塊就是安裝在不同芯片上的低壓和高壓功能模塊，電氣設(shè)備由于這種模塊并聯(lián)模式可以得到較好的保護(hù)，但是對(duì)于電子芯片組成的電力電子裝置而言，這種重復(fù)設(shè)計(jì)使其設(shè)計(jì)成本受到了嚴(yán)重的影響，如果在一塊芯片中裝入電力電子裝置需要的所有模塊，并在電力電子裝置中使用該模塊，系統(tǒng)綜合的處理可能會(huì)遇到的各種電力供應(yīng)情況，這就形成了單片式功率集成電路，這種芯片設(shè)計(jì)方向在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中表現(xiàn)出了良好的活力[2]。從一定程度上來說，這種芯片集成模式使電力電子的智能化技術(shù)難題得到很好的解決，所以這種規(guī)模較大的芯片集成技術(shù)，也被定義為智能功率集成電路。

在同一個(gè)芯片中SPIC集成了所有的低壓電路以及高壓器件，在原電力電子裝置的基礎(chǔ)上把模塊間連接多余的部分進(jìn)行了有效的消除[3]。不僅使電路穩(wěn)定性得到有效提高，同時(shí)使高頻工作狀態(tài)下模塊間引線造成的電路破壞得到明顯降低，還可以在芯片中集成一些保護(hù)電路如使保護(hù)功率器件的力度得到增強(qiáng)。所以，不僅能使集成度得到顯著提高，成本得到有效降低，還有助于提升芯片的整體可靠性。

1.2 功率半導(dǎo)體器件

電力電子器件也可成為功率半導(dǎo)體器件，一般指在電力電子裝置中通過對(duì)半導(dǎo)體材料特性進(jìn)行充分利用制成的功率電子器件，相當(dāng)于開關(guān)的作用。功率半導(dǎo)體器件，從字面上理解就是組成的主要材料是功率半導(dǎo)體，在電力電子裝置中，這種元器件通過發(fā)揮半導(dǎo)體材料的特性，充當(dāng)線路開關(guān)的作用[4]。半導(dǎo)體器件從誕生至今已經(jīng)歷經(jīng)了多次的高速發(fā)展階段，形成的電力電子器件種類繁多。針對(duì)當(dāng)前不同的半導(dǎo)體功率器件，圖1展示了在工作范圍不同時(shí)這些器件的應(yīng)用領(lǐng)域，在對(duì)功率半導(dǎo)體器件進(jìn)行合理選擇和使用時(shí)提供一定的參考依據(jù)。對(duì)于功率半導(dǎo)體器件來說，發(fā)展半導(dǎo)體材料，然后在材料更優(yōu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)半導(dǎo)體器件是其未來的發(fā)展方向之一。

在電力電子裝置中，功率半導(dǎo)體器件作為其中的“功率開關(guān)”，在電力電子裝置當(dāng)前的實(shí)際應(yīng)用要求中，不僅要具有穩(wěn)定性，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換能力也要極高，功率半導(dǎo)體器件在理想狀態(tài)下應(yīng)該具備以下功能[5]：半導(dǎo)體的狀態(tài)為開通時(shí)，半導(dǎo)體本身為零阻力，流經(jīng)半導(dǎo)體的電流不會(huì)帶來能耗，也不會(huì)因?yàn)榇罅侩娏髟诙虝r(shí)間內(nèi)流經(jīng)半導(dǎo)體本身產(chǎn)生大量的熱量使半導(dǎo)體燒毀；半導(dǎo)體的狀態(tài)為關(guān)閉時(shí)，半導(dǎo)體是作為絕緣體存在的，其漏電流為零，線路中的高壓電流無法將其擊穿。功率半導(dǎo)體器件在兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，并沒有花費(fèi)時(shí)間，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換瞬間完成的動(dòng)力是管控線路的微弱信號(hào)。半導(dǎo)體不管是在開通還是在關(guān)閉狀態(tài)都具有較高的穩(wěn)定性，外部電磁環(huán)境的變化并不會(huì)對(duì)其造成影響，功率半導(dǎo)體器件在運(yùn)行過程中，頻繁的開關(guān)操作并不會(huì)造成半導(dǎo)體的老化，其狀態(tài)控制能力也不會(huì)因此而有所退化。

2智能功率集成技術(shù)

2.1 OPTVLD 理論

陳星弼教授于1992年研究得出一種最佳技術(shù)：橫向變摻雜結(jié)構(gòu)，通過不斷的優(yōu)化和完善，廣泛的應(yīng)用和研究，這種技術(shù)發(fā)展成為OPTVID，也可稱為優(yōu)化橫向變摻雜理論[6]。這種理論能夠在盡可能短的距離內(nèi)使表面耐壓結(jié)構(gòu)擁有盡可能大的擊穿電壓，用途相當(dāng)廣泛。發(fā)展至今，這種理論已經(jīng)在橫向漂移區(qū)和結(jié)邊緣等結(jié)構(gòu)中得到了成功的應(yīng)用，生產(chǎn)工藝和隔離技術(shù)也有了相應(yīng)的配套設(shè)置，作為智能功率集成技術(shù)的一種，可以在同一芯片中集成各種低壓電路、高側(cè)和低側(cè)的高壓器件。

注入窗口通過光刻掩膜版可以對(duì)其孔徑和密度進(jìn)行控制，確保具有橫向變化的注入雜質(zhì)劑量。通過高溫?cái)U(kuò)散工藝的使用，使因間隔注入導(dǎo)致的雜質(zhì)不連續(xù)分布情況得到有效消除，橫向漸變雜質(zhì)分布，橫向變摻雜結(jié)構(gòu)就得以形成，圖2給出了具體的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可知，引入的變摻雜區(qū)不僅使原有的冶金結(jié)面處電場得到改變，也使冶金結(jié)面面貌得到改變，但是沿電力線方向，異型材料的交界面一直都是電場峰值所在，同時(shí)，沿電力線方向電場在穿過冶金結(jié)面時(shí)也不會(huì)有過于劇烈的電場變化，這種理論為以下假設(shè)提供了依據(jù)：電場分布是沿冶金結(jié)面的，當(dāng)臨界擊穿場強(qiáng)Ec與某處峰值相同時(shí)，就可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)被擊穿。為了便于解析計(jì)算，先假定在一個(gè)極薄的表面層內(nèi)分布有引入的電荷，冶金結(jié)面區(qū)域水平，沿此水平結(jié)面的電場分布也基本等同于沿橫向距離的表面電場分布。

2.2解析計(jì)算橫向變摻雜結(jié)構(gòu)

在把電荷引入到表面耗盡區(qū)的過程中，為了對(duì)最佳方法進(jìn)行找尋，陳星弼教授通過使用橢圓柱坐標(biāo)近似法開展了解析計(jì)算。他首先歸一化處理泊松方程求解所需的變量，確保求解結(jié)果能夠在不同摻雜濃度襯底中適用，使解的應(yīng)用范圍得到提高。圖3給出了簡單明了的結(jié)果示意圖，其中的曲線又可稱為OPTVLD 曲線。

在上圖中，歸一化的離開主結(jié)橫向距離作為橫坐標(biāo)，歸一化的摻雜劑量作為縱坐標(biāo)，主結(jié)的橫向?qū)嶋H距離用x表示，實(shí)際摻雜劑量用N表示，在襯底相同時(shí)，在最大反偏壓下平行平面結(jié)的耗盡區(qū)寬度用Wpp來表示，輕摻雜濃度與耗盡區(qū)寬度的乘積用Npp來表示。

在上述公式中，VBR、NB、q、εs分別代表反向擊穿電壓、襯底濃度、單位電荷以及半導(dǎo)體的介電常數(shù)。優(yōu)化橫向變摻雜理論的物理意義可以描述如下：如果可以按照曲線改變所摻雜質(zhì)的劑量，沿著表面其分布是橫向變化的，也即是說伴隨不斷增加的離開主結(jié)橫向距離，所摻雜質(zhì)的減少是有規(guī)律可循的，就能使表面電場的峰值得到最大程度的減小，使擊穿電壓得到提高。

3功率半導(dǎo)體器件在智能功率集成電路中的應(yīng)用

3.1 智能功率集成電路功能

功率控制、智能接口以及傳感保護(hù)是SPIC的三大模塊。其中功率控制對(duì)象主要為功率半導(dǎo)體器件和驅(qū)動(dòng)電路，在功率器件常見的圖騰柱式應(yīng)用過程中，高側(cè)器件和低側(cè)器件具有不同基準(zhǔn)電位的驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路中還要裝置高壓電平位移電路，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)從低側(cè)向高側(cè)的傳遞。通過模擬電路傳感保護(hù)模塊可以對(duì)芯片內(nèi)電壓、溫度以及電流等信息進(jìn)行采集并向保護(hù)電路反饋，在必要時(shí)有效保護(hù)芯片。此外，電力電子裝置不僅要對(duì)接源和負(fù)載，為了編碼控制的實(shí)現(xiàn)還要對(duì)接外部計(jì)算機(jī)。所以智能接口模塊也起到了相當(dāng)重要的作用，可以實(shí)現(xiàn)外界與SPIC的指令傳輸和信息溝通。

功率控制在三大功能模塊中是最關(guān)鍵的模塊，智能接口和傳感保護(hù)是為其提供服務(wù)的，電路的功率控制，在智能功率集成電路中能實(shí)現(xiàn)電路的主要作用，因?yàn)橥ㄟ^分析功率的現(xiàn)狀和需求，系統(tǒng)本身已經(jīng)明確認(rèn)識(shí)到裝置需求的能源模式，明確認(rèn)識(shí)到電力電子裝置應(yīng)該輸入到接口段的線路電流，最關(guān)鍵的是，如何在電力電子裝置需求的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)化現(xiàn)有能源，而且這一轉(zhuǎn)化過程是在功率半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)上完成的，通過半導(dǎo)體的特性，通過對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)的改變就能夠轉(zhuǎn)化能源特點(diǎn)，使其與裝置的能源需求相吻合，確保電力電子裝置能合理、穩(wěn)定的運(yùn)行。

3.2智能功率集成電路應(yīng)用

半控型晶閘管是初期功率半導(dǎo)體器件的代表，是半導(dǎo)體材料開展的最初級(jí)的應(yīng)用，通過對(duì)半導(dǎo)體自身特性的應(yīng)用調(diào)節(jié)線路功率，在這種調(diào)節(jié)方式下，其工作狀態(tài)有一半不可控，所以該晶管閘被稱為半控型的，由于半導(dǎo)體的特性及其管控方式的不足，只能在器件開通狀態(tài)下對(duì)功率半導(dǎo)體器件進(jìn)行線路能源狀態(tài)的調(diào)整，線路無法實(shí)現(xiàn)完全絕緣。以上缺陷再加上過大的半控型晶管閘體積，在智能芯片中完全無法使用，直到出現(xiàn)LDMOS器件這一問題才得到有效的解決。在智能功率集成電路中通過功率半導(dǎo)體的使用，能源供應(yīng)的智能管控也得以實(shí)現(xiàn)。

智能功率集成技術(shù)要在同一芯片中把所有功率器件都集成進(jìn)去，不僅是要對(duì)單個(gè)形態(tài)器件的集成，還要對(duì)圖騰柱式的功率管組進(jìn)行集成。在圖騰柱中，高側(cè)器件位于連接高壓的一端，低側(cè)器件位于接地的一端，盆即是其中間點(diǎn)。高側(cè)和低側(cè)器件僅受驅(qū)動(dòng)電路控制，兩者之間互不影響。

4結(jié)論

在智能功率集成電路中，作為線路功率的管控系統(tǒng)，功率半導(dǎo)體能確保電路的正常和穩(wěn)定運(yùn)行，其器件質(zhì)量也是集成電路運(yùn)行效率的關(guān)鍵影響因素。電力電子技術(shù)經(jīng)過不斷地發(fā)展，正在向智能化、集成化的方向發(fā)展，在目前這個(gè)倡導(dǎo)節(jié)能、減排、環(huán)保的大背景下，智能功率集成電路應(yīng)用越來越廣泛，也體現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣苓利 . 功率集成電路中高壓 ESD 防護(hù)表面電流抑制模型與器件研究 [D]. 電子科技大學(xué) ，2013.

[2] 亢寶位 . 國際功率半導(dǎo)體器件與功率集成 電 路 會(huì) 議 （ISPSD） 介 紹 [J]. 電 力 電子 ，2004，04：3+20.

[3] 吳郁 .2008 年 IEEE 功率半導(dǎo)體器件及集 成 電 路 國 際 會(huì) 議 評(píng) 述 [J]. 電 力 電子 ，2009（2）：6-16.

[4] 羅萍.智能功率集成電路的跨周調(diào)制PSM 及其測試技術(shù)研究 [D]. 電子科技大學(xué)，2004.

[5] 高珊.復(fù)合柵多階梯場極板 LDMOS 電學(xué)特性的研究 [D]. 安徽大學(xué)，2007.

[6] 李奎兵.智能功率集成電路中部分子電路的分析與設(shè)計(jì) [D]. 電子科技大學(xué)，2006.