三极管工作原理是什么?有没有教程

像三极管这类产品我们日常中接触比较少，用的也不多，所以很多人都不懂三极管是什么，三极管的作用是什么?那么在这里小编就介绍三极管的基本知识，以及三极管工作原理。

首先我们先来了解一下三极管：

半导体三极管也称为晶体三极管，可以说它是电子电路中最重要的器件。三极管顾名思义具有三个电极。二极管是由一个PN结构成的，而三极管由两个PN结构成，共用的一个电极成为三极管的基极(用字母b表示)。其他的两个电极成为集电极(用字母c表示)和发射极(用字母e表示)。由于不同的组合方式，形成了一种是NPN型的三极管，另一种是PNP型的三极管。

晶体三极管的结构和类型

晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。它最主要的功能是电流放大和开关作用。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。三极管的结构示意图如图1所示，电路符号如图2所示。

下面我们一起看看三极管的工作原理：

晶体三极管(以下简称三极管)按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，(其中，N表示在高纯度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而p是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电)。两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。

三极管示意图

对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。

当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。

看了以上小编收集的三极管的基本知识及三级管工作原理，相信很多人都对三极管有了一个大概的认识了，更多日常生活小知识请关注土巴兔装修网。

一.教学内容

◇教学内容体系结构、组织方式与目的

◇实践性教学的设计思想

◇教学内容体系结构、组织方式与目的

结合近年来国内外电子材料及相关领域的高速发展、电子科学与技术（固体电子）专业的固有特点和本课程的特色，并考虑到我校该专业在国内的重要影响，在进行课程体系结构设计、教学内容组织方式与目的时，主要把握以下三个原则：

① 介电－磁性－半导体三者的结合作为未来该专业的发展方向和培养特色；

② 将材料－器件－系统三者的结合作为拓宽学生知识结构；

③ 将材料－器件－集成－封装－设计一条龙作为社会需求牵引。

同时在教材建设方面：

采用循环滚动的形式，三年一次审查和翻新，选购一批、编写一批、规划一批的建设思路。

本课程的教学内容分为九章：电子材料概论、导电材料、电阻材料、超导材料、半导体材料、电介质材料、光电子材料、磁性材料、敏感电子材料。系统地介绍了电子信息产业中所涉及的主要电子材料的制造主法、结构特征、电磁性能、元器件设计和应用开发等所需的材料基础知识。根据本专业的特点与要求重点讲述第六章和第八章，第二、三章为自学，其它章节作一般讲解。

◇实践性教学的设计思想

以知识、能力、素质的全面培养要求，达到提高学生的"独立思维能力"，"独立学习能力"，"分析问题和解决问题的能力"和增强学生的"专业意识"、"创新意识"为目标的实践性教学设计思想。

在既定的实践教学设计思想指导下，精心指定教学内容。实验教学内容的特色主要集中于：

（1）理论与实践相结合，实验内容新、应用性强。实验教学特别强调理论教学与实验环节的结合。4学时的理论教学内容重点从电子材料的制备工艺、微观结构与性能评价及元器件制作三者的联系来分析目前电子材料制备工艺的常用方法及所涉及的关键步骤，并比较了这些方法的适应性。教学内容源自科研项目，内容新、学术性强。学生所进行的实验项目皆来源于科研项目的研究内容，实验内容新、工艺手段先进，从而保证了实验内容的学术性、技术先进性，增强学生从事科学研究的意识。

（2）从材料工艺、测试分析与性能表征到元器件制作的全过程教学。本课程的实验环节教学内容从电子材料的制备工艺、微观结构与性能的表征及元器件结构设计与试制三方面来进行。通过工艺实验使学生熟悉电子材料的制备方法、流程与关键工序，理解并掌握关键工艺参数对电子材料结构与性能的影响，充分认识电子材料的制备技术与工艺控制的重要性；通过对学生在工艺环节制得的样品微结构与电磁特性分析，使学生掌握电子材料理化特性的常用评价手段及介电、磁电参数的表征技术，培养学生从调整材料制备工艺、控制微结构与相组成及优化电子材料的电磁特性三方面结合开展电子材料研究的意识；按照不同材料样品的理化性能所表现的特定功能，试制成不同功能的元器件，藉此培养学生对电子材料功能特性的应用能力，使学生获得一定元器件的设计、开发能力。

本课程的实验教学环节强调学生科研开发素质、生产实践能力的培养与提高，实验教学方法的特色主要表现在如下两方面：

（1）实验教学环节、实践环节结合校内科研开发与企业工业化生产。对电子材料与器件制造的认识，开阔产业视野，使学生充分了解本学科在电子信息产业中的地位，除了利用校内科研平台来开展实验教学外，实验教学还结合了本学科专业科研成果转化的合作企业进行深入的实践性教学，从而有效地调动学生的实验积极性，激发学生的实验兴趣。

（2）采用分组实验与集中讨论相结合的"交互式"实验教学方法。学生在导师对将进行的实验介绍基础上分小组进行实验，在完成本次实验或实验工作间歇（如需要等待设备运行的升温等过程），对实验的原理、实验技术与方法、实验现象与结果及本实验所涉及的科学研究与工业化应用等方面进行集中讨论，从而使同学们能尽可能地从实验中加深对基本原理与知识的理解，充分认识基本实验技术与方法，完整了解开展科学研究的实验思路与工作精神，并促进学生积极地思考将理论知识应用于实践。

综上所述，正确的教学指导思想、新颖的实践教学内容、先进的教学手段与方法保证了优良的教学效果。（1）加大工艺实验课程力度，提高学生动手能力。经过近5年的实践证明，学生普遍提高了动手能力，受到企业的极大的欢迎，我专业连续三年保持96％就业率，得益于课程及实践环节的改革；（2）校际合作，以交流促进课程改革。我校的课程改革与同行学校，如天津大学、西安电子科大、华中科技大学、上海交通大学在相互协调统一体系改革的同时，又相互保持自己的特色，如电子科技大学保持自身45 年来在电子陶瓷和磁性材料的国内外影响优势，在课程体现中以此两个方面为主流，其他方面为辅进行改革，促进各校合作，保持特色，共同发展。

二.《电子材料》教学大纲（电子科学与技术固体电子专业－68学时）

1.电子科学与技术专业本科学生、材料科学与工程专业本科生。

2、 先修课程：

固体物理，材料物理化学，磁性物理，电介质物理。

3、 课程性质和教学目的

《电子材料》为电子科学与技术重要专业课程。《电子材料》主要包括电子材料的制备方法、结构特征、电磁特性及影响因素、元器件设计和应用开发等所需的材料基础知识，该领域的最新发展等。为研制电子材料奠定理论与实践基础。

学生学习本课程后，更深入掌握电介质物理、磁性物理的基础知识，具备从事电子材料生产、研究、应用和开发的基本能力；本课程又为后续专业课程基础，直接同电子元器件和电子材料测量密切结合。

4、 课程教学内容和要求

第一章 电子材料概论

1). 电子材料的分类与特点

2). 无机电子材料

3). 有机电子材料

4). 电子材料的表面与界面

5). 电子材料的常用微观分析方法

6). 电子材料的应用与发展动态

第二章 导电材料

1). 金属导电材料

2). 电极导电材料

3). 厚膜导电材料

4). 薄膜导电材料

5). 复合导电材料

6). 导电聚合物

第三章 电阻材料

1). 电阻材料概述

2). 线绕电阻材料

3). 薄膜电阻材料

4). 厚膜电阻材料

第四章 超导材料

1). 引言

2). 超导材料的基本性质与理论基础

3). 低温超导材料

4). 高温超导材料发展现状

5). 高温超导材料的结构特征

第五章 半导体材料

1). 半导体材料的一般性质

2). 锗、硅半导体材料

3). Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体

4). Ⅱ-Ⅵ族化合物和硫属半导体

第六章 电介质材料

1). 电容器介质材料

2). 铁电材料

3). 压电材料与热释电材料

4). 微波陶瓷介质材料

5). 玻璃电介质材料

6). 有机电介质材料

第七章 光电子材料

1). 固体激光材料

2). 半导体发光材料

3). 光导纤维材料

4). 透明导电薄膜材料

5). 其他光电材料

第八章 磁性材料

1). 材料的磁性

2). 软磁材料

3). 永磁材料

4). 旋磁材料

5). 压磁材料

6). 磁光材料

7). 其他新型磁性材料

第九章 敏感电子材料

1). 敏感材料的分类

2). 力敏材料

3). 热（温）敏材料

4). 磁敏材料

5). 湿敏材料和气敏材料

6). 离子敏材料

7). 电压敏感电阻器材料

8). 有机敏感电子材料

根据专业的特点与要求重点讲述第六章和第八章，第二、三章为自学，其它章节作一般讲解。

五、 学时安排 : 共68学时

第1章. 电子材料概论 （学时2）

第2章. 导电材料 （学时0）

第3章. 电阻材料 （学时0）

第4章. 超导材料 （学时5）

第5章. 半导体材料 （学时6）

第6章. 电介质材料 （学时20）

第7章. 光电子材料 （学时5）

第8章. 磁性材料 （学时20）

第9章. 敏感电子材料 （学时6）

六、 实践性环节：12个实验，10～20学时。

七、 教材

《电子材料》，李言荣、恽正中 北京：清华大学出版

《磁性材料》，兰中文等 北京：电子工业出版

《无机电介质》，李标荣等 武汉：华中科技大学出版

八、 编制说明

本大纲由电子科技大学微电子与固体电子学院《电子材料》课程建设组编制。

教学条件

1．教材建设与使用

"电子材料"为电子科学与技术（固体电子专业）重要专业基础课程，本专业十分重视"电子材料"以及相关主干教材的建设，其中有3部教材被列入高等学校工科电子类规划教材，获电子类专业优秀教材一等奖1项。

现用教材《电子材料导论》为我校李言荣教授等人在融合该领域最新研究成果后编著而成，该书经全国高校电子材料与元器件教学指导委员会审定，于2001年由清华大学出版社出版。该教材是根据当前我国高等教育学科调整后的形势，以拓宽专业中径、增强适应性和大力培养具有创新能力的复合型人才为目的，将原分散在电子材料与器件、半导体技术、光电子技术等专业的课程浓缩综合并成一门"电子材料与导论"新的课程。与其它同类教材相比，具有鲜明的特色。根据本校本专业的特点，重点讲授磁性材料和电子陶瓷材料，辅助教材分别为电子工业出版社出版的《磁性材料》和电子科技大学出版社出版《电子陶瓷》。

再版《电子材料导论》正在编辑出版之中，为建设该课程的的立体化教材，还将编辑出版《电子材料习题及解答》、《电子材料实验教程》及《多媒体电子教材》等。

2．教学辅助资料情况

1）习题与练习及参考答案。通过多年的教学积累，包括教学中各种参考资料上的习题与练习、学生的平时作业、考试题等，我们已汇集了很多，准备再进一步充实后，单独编辑出版。

2）知识扩展。为了拓宽同学们的知识面，我们收集了许多参考文献，包括书籍、论文、网站、国外培训资料等作为课外读物，在准备充分后，再行集中收集在本课程的网站上，便于同学们通过过广泛阅读，进一步了解本门课程的前沿发展动态。

3）专业方向指导。为了便于同学们进一步了解本门课程及自己感兴趣的领域，每为同学均可以在全院范围内选择具有副教授职称以上的老师作为指导教师，进行一对一的咨询，经指导教师的同意，甚至可以直接参与具体的课题工作，从而，提高了同学们的学习积极性。

3．实验教材及其平台建设

本课程是一门实践性很强的专业基础课程，为使学生更好的理解和掌握主要电子材料的制造方法、结构特征、电磁性能、元器件设计和应用等所需的材料基础知识，我们提供了丰富的课程配套实验，为实验提供了一个很好的综合实验教学环境，为配合教学，我们编写了教学大纲、实验指导书等。同时将课程实验安排为三个部分，即与电子材料课程配套的测试实验，课程设计实验和综合大型工艺实验，分别在本课专业实验室，科研实验室和校外实习基地开放，本课程专业实验室面积150m2，每周轮流做实验，科研实验室的课程设计安排2个，由各课题组负责实施，校外大型综合实验每学年在6月底安排一次，这样就变传统的见面讲述为走进实验现场学习。学生综合素质和实验动手能力得到了全面提高，国内用人单位非常欢迎。

4．实践性教学环境

1． 功能设施齐全的多媒体教学环境；

2． 专业性实验室建设包括：制备工艺设备及测试分析仪器、耗材和维护经费等。

3． 良好的校外互动实习环境：成都宏明电子科大新材料有限公司是由我国著名的电子元件骨干企业--成都宏明电子股份有限公司与我校共同出资兴建的高新技术企业。

5．网络教学环境

本课程的教学网站直接位于电子科技大学现代教育技术中心，该中心能保证网站一天 24 小时开通。提供了基本的网络教学环境，教学资源和互动资源，包括：教学大纲、授课教案、习题自测、实验辅导、参考文献、视频资料、网页课程、教师简介、重点难点、专题设计等内容。下阶段工作目标是进一步维护、规范、充实与完善。

教学方法和手段

◇教学方法

◇教学手段

◇教学方法

根据《电子材料》这门课的特点和教学基本规律，通过本课程组多年不断探索和改革，本课程的理论教学、实践实验教学和考试考核方法行之有效，课程特色明显。在教学实践中主要运用了"传统教学方法与现代教育技术相结合"、"课堂讲授重点与一般相结合"、"理论教学与实验教学相结合"；"校内实践教学与校外实习基地相结合"、"辅导答疑与课外活动相结合"、"理论考试与实践技能相结合"等教学方法，提高了学生的"独立思维能力"，"独立学习能力"，"分析问题和解决问题的能力"，增强了学生的"专业意识"、"创新意识"，使毕业的学生在电子材料与元器件及相关领域具有较强的研发能力。

◇教学手段

1. 课堂教学手段--多媒体教学与传统板书讲授相结合：

传统教学方式是教师利用黑板、粉笔、教案等，在一般教室进行授课的一种教学方式，而多媒体辅助教学方式则是在授课过程中利用投影仪、计算机、网络等多种现代媒体，在多媒体教室进行授课的一种新的教学方式。在本课程的课堂教学中，我们精心设计了本课程的Powerpoint多媒体讲稿，讲稿内容图文并茂，寓教于乐，使抽象问题形象化，有利于培养和激发学生的学习兴趣，便于学生对知识点的理解和运用。通过多媒体课件的使用，还可以节约传统的板书时间，增加课堂教学的信息量，提高学习效率。其次，适当地结合板书、在黑板上的演算过程，既可以使学生不感觉枯燥，又能使学生的思考与教师同步。

2. 现代教学手段--网上教学：

本课程还充分利用了现代化的教学手段。丰富的网上教学资源，为学生自学与复习提供了方便，也极大地增强了教师和学生、学生和学生之间的交互性、打破了教师和学生、学生和学生之间的相对孤立状态。这种交互性是近乎实时的，而且可以利用多种渠道实现，比如：电子邮件，BBS，网上在线交谈等；教学大纲介绍本课程的教学目的和要求；电子课件即课堂讲课的PowerPoint多媒体课件，并制作成了网页的形式，便于学生对课堂上未能理解和掌握的内容在课前预习和课后复习；电子教案（Word文档）则指出了课程中各章节内容的重点和难点，并对其进行讲解；通过网上习题，可使学生及时得到有关自己学习过程的反馈及有针对性的诊断，使得学生能够及时调整自己的学习；网络同多媒体技术、虚拟现实技术相结合，可实现虚拟图书馆、，虚拟实验室、虚拟课堂等，为学生提供多层次、全方位的学习资源，可引导学生由被动式学习向主动式学习转变；网上提问与网上答疑可随时解答学生在学习中的问题；网上讨论是由学生和教师共同参与的自由论坛，学生间也可相互交流经验。

3. 辅助教学手段--实验教学与理论教学相结合

在理论教学的基础上，我们还精心设计了相关的实验，如陶瓷显微结构的观察、PTC热敏电阻的阻温特性、PTC热敏电阻的伏安特性等。通过这些实验，可以使学生全面掌握电子陶瓷的结构，成分、杂质、缺陷、工艺过程对陶瓷结构、性能及电子过程的影响等，加强学生对课堂教学内容的理解。

4. 科研成果转化为教学素材

通过将本学科的前沿技术和所取得的科研成果引入到教学中，为教学提供了很好的素材，确保了课程教学的先进性。

教学效果

电子科技大学的学生评教体系由5部分组成，包括育人寓教、教学态度、教学内容、教学方法、表达与作业。

摘自:http://iask.sina.com.cn/b/10259784.html

随着绿色低碳战略的不断推进,提升能源利用效率和能源转换效率已经成为各行各业的共识,如何利用现代化新技术建成可循环的高效、高可靠性的能源网络,无疑是当前各国重点关注的问题。

值此背景下,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体成为市场聚焦的新赛道。根据Yole预测数据, 2025年全球以半绝缘型衬底制备的GaN器件市场规模将达到20亿美元,2019-2025年复合年均增长率高达12%! 其中,军工和通信基站设备是GaN器件主要的应用市场,2025年市场规模分别为11.1亿美元和7.31亿美元

全球以导电型碳化硅衬底制备的SiC器件市场规模到2025年将达到25.62亿美元,2019- 2025年复合年均增长率高达30%! 其中,新能源汽车和光伏及储能是SiC器件主要的应用市场, 2025年市场规模分别为15.53亿美元和3.14亿美元。

本文中,我们将针对第三代半导体产业多个方面的话题,与国内外该领域知名半导体厂商进行探讨解析。

20世纪50年代以来,以硅(Si)、锗(Ge)为代的第一代半导体材料的出现,取代了笨重的电子管,让以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃。人们最常用的CPU、GPU等产品,都离不开第一代半导体材料的功劳。可以说是由第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础。

然而由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低等原因,硅材料在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。因此,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料开始崭露头角,使半导体材料的应用进入光电子领域,尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管方面。与此同时,4G通信设备因为市场需求增量暴涨,也意味着第二代半导体材料为信息产业打下了坚实基础。

在第二代半导体材料的基础上,人们希望半导体元器件具备耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低特性,第三代半导体材料也正是基于这些特性而诞生。

笔者注意到,对于第三代半导体产业各家半导体大厂的看法也重点集中在 “高效”、“降耗”、“突破极限” 等核心关键词上。

安森美中国汽车OEM技术负责人吴桐博士 告诉笔者: “第三代半导体优异的材料特性可以突破硅基器件的应用极限,同时带来更好的性能,这也是未来功率半导体最主流的方向。” 他表示随着第三代半导体技术的普及,传统成熟的行业设计都会有突破点和优化的空间。

英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区应用市场总监程文涛 则从能源角度谈到,到2025年,全球可再生能源发电量有望超过燃煤发电量,将推动第三代半导体器件的用量迅速增长。 在用电端,由于数据中心、5G通信等场景用电量巨大,节电降耗的重要性凸显,也将成为率先采用第三代半导体器件做大功率转换的应用领域。

第三代半导体材料区别于前两代半导体材料最大的区别就在于带隙的不同。 第一代半导体材料属于间接带隙,窄带隙第二代半导体材料属于直接带隙,同样也是窄带隙二第三代半导体材料则是全组分直接带隙,宽禁带。

和前两代半导体材料相比,更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。

随着碳化硅、氮化镓等具有宽禁带特性(Eg>2.3eV)的新兴半导体材料相继出现,世界各国陆续布局、产业化进程快速崛起。具体来看:

与硅相比, 碳化硅拥有更为优越的电气特性 : 

1.耐高压 :击穿电场强度大,是硅的10倍,用碳化硅制备器件可以极大地 提高耐压容量、工作频率和电流密度,并大大降低器件的导通损耗

2.耐高温 :半导体器件在较高的温度下,会产生载流子的本征激发现象,造成器件失效。禁带宽度越大,器件的极限工作温度越高。碳化硅的禁带接近硅的3倍,可以保证碳化硅器件在高温条件下工作的可靠性。硅器件的极限工作温度一般不能超过300℃,而碳化硅器件的极限工作温度可以达到600℃以上。同时,碳化硅的热导率比硅更高,高热导率有助于碳化硅器件的散热,在同样的输出功率下保持更低的温度,碳化硅器件也因此对散热的设计要求更低,有助于实现设备的小型化

3.高频性能 :碳化硅的饱和电子漂移速率是硅的2倍,这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。基于这些优良的特性,碳化硅衬底的使用极限性能优于硅衬底,可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求,已应用于射频器件及功率器件。

氮化镓则具有宽禁带、高电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温、抗腐蚀、耐辐照等突出优点。 尤其是在光电子器件领域,氮化镓器件作为LED照明光源已广泛应用,还可制备成氮化镓基激光器在微波射频器件方面,氮化镓器件可用于有源相控阵雷达、无线电通信、基站、卫星等军事 或者民用领域氮化镓也可用于功率器件,其比传统器件具有更低的电源损耗。

半导体行业有个说法: “一代材料,一代技术,一代产业” ,在第三代半导体产业规模化出现之前,也还存在着不少亟待解决的技术难题。

第三代半导体全产业链十分复杂,包括衬底→外延→设计→制造→封装。 其中,衬底是所有半导体芯片的底层材料,起到物理支撑、导热、导电等作用外延是在衬底材料上生长出新的半导体晶层,这些外延层是制造半导体芯片的重要原料,影响器件的基本性能设计包括器件设计和集成电路设计,其中器件设计包括半导体器件的结构、材料,与外延相关性很大制造需要通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的器件结构和电路封装是指将制造好的晶圆切割成裸芯片。

前两个环节衬底和外延生长正是第三代半导体生产工艺及其难点所在。我们重点挑选碳化硅、氮化镓两种典型的第三代半导体材料来看,它们的生产制备到底还面临哪些问题。

从碳化硅来看,还需要“降低衬底生长缺陷,以及提高工艺效率” 。首先碳化硅单晶制备目前最常用的是物理气相输运法(PVT)或籽晶的升华法,而碳化硅单晶在形成最终的短圆柱状之前,还需要通过机械加工整形、切片、研磨、抛光等化学机械抛光和清洗等工艺才能成为衬底材料。

这一机械、化学制造过程存在着加工困难、制造效率低、制造成本高等问题。此外,如果再加上考虑单晶加工的效率和成本问题,那还能够保障晶片具备良好的几何形貌,如总厚度变化、翘曲度、变形,而且晶片表面质量(粗糙度、划伤等)是否过关等,这都是碳化硅衬底制备中的巨大挑战。

此外,碳化硅材料是目前仅次于金刚石硬度的材料,材料的机械加工主要以金刚石磨料为基础切割线、切割刀具、磨削砂轮等工具。这些工具的制备难度大,使用寿命短,加工成本高,为了延长工具寿命、提高加工质量,往往会采用微量或极低速进给量,这就牺牲了碳化硅材料制备的整体生产效率。

对于氮化镓来说,则更看重“衬底与外延材料需匹配”的难题 。由于氮化镓在高温生长时“氮”的离解压很高,很难得到大尺寸的氮化镓单晶材料,当前大多数商业器件是基于异质外延的,比如蓝宝石、AlN、SiC和Si材料衬底来替代氮化镓器件的衬底。

但问题是这些异质衬底材料和氮化镓之间的晶格失配和热失配非常大,晶格常数差异会导致氮化镓衬底和外延层界面处的高密度位错缺陷,严重的话还会导致位错穿透影响外延层的晶体质量。这也就是为什么氮化镓更看重衬底与外延材料需匹配的难点。

在落地到利用第三代半导体材料去解决具体问题时,程文涛告诉OFweek维科网·电子工程, 英飞凌的碳化硅器件所采用的沟槽式结构解决了大多数功率开关器件的可靠性问题。

比如现在大多数功率开关器件产品采用的是平面结构,难以在开关的效率上和长期可靠性上得到平衡。采用平面结构,如果要让器件的效率提高,给它加点电,就能导通得非常彻底,那么它的门级就需要做得非常薄,这个很薄的门级结构,在长期运行的时候,或者在大批量运用的时候,就容易产生可靠性的问题。

如果要把它的门级做的相对比较厚,就没办法充分利用沟道的导通性能。而采用沟槽式的做法就能够很好地解决这两个问题。

吴桐博士则从产业化的角度提出, 第三代半导体技术的难点在于有关设计技术和量产能力的协调,以及对长期可靠性的保障。尤其是量产的良率,更需要持续性的优化,降低成本,提升可靠性。

观察当前半导体市场可以发现,占据市场九成以上的份额的主流产品依然是硅基芯片。

但近些年来,“摩尔定律面临失效危机”的声音不绝于耳,随着芯片设计越来越先进,芯片制造工艺不断接近物理极限和工程极限,芯片性能提升也逐步放缓,且成本不断上升。

业界也因此不断发出质疑,未来芯片的发展极限到底在哪,一旦硅基芯片达到极限点,又该从哪个方向下手寻求芯片效能的提升呢?笔者通过采访发现,国内外厂商在面对这一问题时,虽然都表达出第三代半导体产业未来值得期待,但也齐齐提到在这背后还需要重点解决的成本问题。

“目前硅基半导体从架构上、从可靠性、从性能的提升等方面,基本上已经接近了物理极限。第三代半导体将接棒硅基半导体,持续降低导通损耗,在能源转换的领域作出贡献,” 程文涛也为笔者描述了当前市场上的一种现象:可能会存在一些定价接近硅基半导体的第三代半导体器件,但并不代表它的成本就接近硅基半导体。因为那是一种商业行为,就是通过低定价来催生这个市场。

以目前的工艺来讲,第三代半导体的成本还是远高于硅基半导体 ,程文涛表示:“至少在可见的将来,第三代半导体不会完全取代第一代半导体。因为从性价比的角度来说,在非常宽的应用范围中,硅基半导体目前依然是不二之选。第三代半导体目前在商业化上的瓶颈就是成本很高,虽然在迅速下降,但依然远高于硅基半导体。”

作为中国碳化硅功率器件产业化的倡导者之一,泰科天润同样也表示对第三代半导体产业发展的看好。

虽然碳化硅单价目前比硅高不少,但从系统整体的角度来看,可以节约电感电容以及散热片。如果是大功率电源系统整体角度看成本未必更高,同时还能更好地提升效率。 这也是为什么现阶段虽然单器件碳化硅比硅贵,依然不少领域客户已经批量使用了。

从器件的角度来看,碳化硅从四寸过度到六寸,未来往八寸甚至十二寸发展,碳化硅器件的成本也将大幅度下降。据泰科天润介绍,公司新的碳化硅六寸线于去年就已经实现批量出货,为客户提供更高性价比的产品,有些产品实现20-30%的降价幅度。除此之外,泰科天润耗时1年多成功开发了碳化硅减薄工艺,在Vf水平不变的情况下,可以缩小芯片面积,进一步为客户提供性价比更高的产品。

泰科天润还告诉笔者:“这两年随着国外友商的缺货或涨价,比如一些高压硅器件,这些领域已经出现碳化硅取代硅的现象。随着碳化硅晶圆6寸产线生产技术的成熟,8寸晶圆的发展,碳化硅器件有望与硅基器件达到相同的价格水平。”

吴桐博士认为, 目前来看在不同的细分市场,第三代半导体跟硅基器件是一个很好的互补,也是价钱vs性能的一个平衡。随着第三代半导体的成熟以及成本的降低,最终会慢慢取代硅基产品成为主流方案。

那么对于企业而言,该如何发挥第三代半导体的综合优势呢?吴桐博士表示,于安森美而言,首先是要垂直整合,保证稳定的供应链,可长期规划的产能布局以及达到客观的投资回报率其次是在技术研发上继续发力,比如Rsp等参数,相比行业水准,实现用更小的半导体面积实现相同功能,这样单个器件成本得以优化第三是持续地提升FE/BE良率,等效的降低成本第四是与行业大客户共同开发定义新产品,保证竞争力以及稳定的供需关系最后也是重要的一点,要帮助行业共同成长,蛋糕做大,产能做强,才能使得单价有进一步下降的空间。

第三代半导体产业究竟掀起了多大的风口?根据《2020“新基建”风口下第三代半导体应用发展与投资价值白皮书》内容:2019年我国第三代半导体市场规模为94.15亿元,预计2019-2022年将保持85%以上平均增长速度,到2022年市场规模将达到623.42亿元。

其中,第三代半导体衬底市场规模从7.86亿元增长至15.21亿元,年复合增速为24.61%,半导体器件市场规模从86.29亿元增长至608.21亿元,年复合增速为91.73%。

得益于第三代半导体材料的优良特性,它在 光电子、电力电子、通讯射频 等领域尤为适用。具体来看:

光电子器件 包括发光二极管、激光器、探测器、光子集成电路等,多用于5G通信领域,场景包括半导体照明、智能照明、光纤通信、光无线通信、激光显示、高密度存储、光复印打印、紫外预警等

电力电子器件 包括碳化硅器件、氮化镓器件,多用于新能源领域,场景包括消费电子、新能源汽车、工业、UPS、光伏逆变器等

微波射频器件 包括HEMT(高电子迁移率晶体管)、MMIC(单片微波集成电路)等,同样也是用在5G通信领域,不过场景则更加高端,包括通讯基站及终端、卫星通讯、军用雷达等。

现阶段,欧美日韩等国第三代半导体企业已形成规模化优势,占据全球市场绝大多数市场份额。我国高度重视第三代半导体发展,在研发、产业化方面出台了一系列支持政策。国家科技部、工信部等先后开展了“战略性第三代半导体材料项目部署”等十余个专项,大力支持第三代半导体技术和产业发展。

早在2014年,工信部发布的《国家集成电路产业发展推进纲要》提出设立国家产业投资基金,重点支持集成电路等产业发展,促进工业转型升级,同时鼓励社会各类风险投资和股权投资基金进入集成电路领域在去年全国人大发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中,进一步强调培育先进制造业集群,推动集成电路、航空航天等产业创新发展。瞄准人工智能、量子信息、集成电路等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。

具体来看当前主要应用领域的发展情况:

1.新能源汽车

新能源汽车行业是未来市场空间巨大的新兴市场,全球范围内新能源车的普及趋势明朗。随着电动汽车的发展,对功率半导体器件需求量日益增加,成为功率半导体器件新的经济增长点。得益于碳化硅功率器件的高可靠性及高效率特性,在车载级的电机驱动器、OBC及DC/DC部分,碳化硅器件的使用已经比较普遍。对于非车载充电桩产品, 由于成本的原因,目前使用比例还相对较低,但部分厂商已开始利用碳化硅器件的优势,通过降低冷却等系统的整体成本找到了市场。

2.光伏

光伏逆变器曾普遍采用硅器件,经过40多年的发展,转换效率和功率密度等已接近理论极限。碳化硅器件具有低损耗、高开关频率、高适用性、降低系统散热要求等优点,将在光伏新能源领域得到广泛应用。例如,在住宅和商业设施光伏系统中的组串逆变器里,碳化硅器件在系统级层面带来成本和效能的好处。

3.轨道交通

未来轨道交通对电力电子装置,比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率,有助于明显减轻轨道交通的载重系统。目前,受限于碳化硅功率器件的电流容量,碳化硅混合模块将首先开始替代部分硅IGBT模块。未来随着碳化硅器件容量的提升,全碳化硅模块将在轨道交通领域发挥更大的作用。

4.智能电网

目前碳化硅器件已经在中低压配电网开始了应用。未来更高电压、更大容量、更低损耗的柔性输变电将对万伏级以上的碳化硅功率器件具有重大需求。碳化硅功率器件在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置中。

第三代半导体自从在2021年被列入十四五规划后,相关概念持续升温,迅速成为超级风口,投资热度高居不下。

时常会听到业内说法称,第三代半导体国内外都是同一起跑线出发,目前大家差距相对不大,整个产业发展仍处于爆发前的“抢跑”阶段,对国内而言第三代半导体材料更是有望成为半导体产业的“突围先锋”,但事实真的是这样吗?

从起步时间来看,欧日美厂商率先积累专利布局,比如 英飞凌一直走在碳化硅技术的最前沿,从30年前(1992年)开始包含碳化硅二极管在内的功率半导体的研发,在2001年发布了世界上第一款商业化碳化硅功率二极管 ,此后至今英飞凌不断推出了各种性能优异的碳化硅功率器件。除了产品本身,英飞凌在2018年收购了Siltectra,致力于通过冷切割技术优化工艺流程,大幅提高对碳化硅原材料的利用率,有效降低碳化硅的成本。

安森美也是第三代半导体产业布局中的佼佼者,据笔者了解, 安森美通过收购上游碳化硅供应企业GTAT实现了产业链的垂直整合,确保产能和质量的稳定。同时借助安森美多年的技术积累以及几年前收购Fairchild半导体基因带来的技术补充,安森美的碳化硅技术已经进入第三代,综合性能在业界处于领先地位 。目前已成为世界上少数提供从衬底到模块的端到端碳化硅方案供应商,包括碳化硅球生长、衬底、外延、器件制造、同类最佳的集成模块和分立封装方案。

具体到技术上, 北京大学教授、宽禁带半导体研究中心主任沈波 也曾提出,国内第三代半导体和国际上差距比较大,其中很重要的领域之一是碳化硅功率电子芯片。这一块国际上已经完成了多次迭代,虽然8英寸技术还没投入量产,但是6英寸已经是主流技术,二极管已经发展到了第五代,三极管也发展到了第三代,IGBT也已进入产业导入前期。

另外车规级的碳化硅MOSFET模块在意法半导体率先通过以后,包括罗姆、英飞凌、科锐等国际巨头也已通过认证,国际上车规级的碳化硅芯片正逐渐走向规模化生产和应用。反观国内,目前真正量产的主要还是碳化硅二极管,工业级MOSFET模块估计到明年才能实现规模量产,车规级碳化硅模块要等待更长时间才能量产。

泰科天润也直言,国内该领域仍处于后发追赶阶段:器件方面,从二极管的角度, 国产碳化硅二极管基本上水平和国外差距不大,但是碳化硅MOSFET国内外差距还是有至少1-2代的差距 可靠性方面,国外碳化硅产品市场应用推广较早,积累了更加丰富的应用经验,对产品可靠性的认知,定义以及关联解决可靠性的方式都走得更前一些,国内厂家也在推广市场的过程中逐步积累相关经验产业链方面,国外厂家针对碳化硅的材料优势,相关匹配的产业链都做了对应的优化设计,使之能更加契合的体现碳化硅的材料优势。

OFweek维科网·电子工获悉,泰科天润在湖南新建的碳化硅6寸晶圆产线,第一期60000片/六寸片/年。此产线已经于去年实现批量出货,2022年始至4月底已经接到上亿元销售订单。 作为国内最早从事碳化硅芯片生产研发的公司,泰科天润积累了10余年的生产经验,针对特定领域可以结合自身的研发,生产和工艺一体化,快速为客户开发痛点新品 ,例如公司全球首创的史上最小650V1A SOD123,专门针对解决自举驱动电路已经替换高压小电流Si FRD解决反向恢复的痛点问题而设计。

虽然说IDM方面,我国在碳化硅器件设计方面有所欠缺,少有厂商涉及于此,但后发追赶者也不在少数。

就拿碳化硅产业来看,单晶衬底方面国内已经开发出了6英寸导电性碳化硅衬底和高纯半绝缘碳化硅衬底。 山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能 均已完成6英寸衬底的研发,中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底。

此外,在模块、器件制造环节我国也涌现了大批优秀的企业,包括 三安集成、海威华芯、泰科天润、中车时代、世纪金光、芯光润泽、深圳基本、国扬电子、士兰微、扬杰科技、瞻芯电子、天津中环、江苏华功、大连芯冠、聚力成半导体 等等。

OFweek维科网·电子工程认为,随着我国对新型基础建设的布局展开和“双碳”目标的提出,碳化硅和氮化稼等第三代半导体的作用也愈发凸显。

上有国家支持政策,下有新能源汽车、5G通信等旺盛市场需求, 我国第三代半导体产业也开始由“导入期”向“成长期”过渡,初步形成从材料、器件到应用的全产业链。但美中不足在于整体技术水平还落后世界顶尖水平好几年,因此在材料、晶圆、封装及应用等环节的核心关键技术和可靠性、一致性等工程化应用问题上还需进一步完善优化。

当前,全球正处于新一轮科技和产业革命的关键期,第三代半导体产业作为新一代电子信息技术中的重点组成部分,为能源革命带来了深刻的改变。

在此背景下,OFweek维科网·电子工程作为深耕电子产业领域的资深媒体,对全球电子产业高度关注,紧跟产业发展步伐。为了更好地促进电子工程师之间技术交流,推动国内电子行业技术升级,我们继续联袂数十家电子行业企业技术专家,推出面向电子工程师技术人员的专场在线会议  「OFweek 2022 (第二期)工程师系列在线大会」  。

本期在线会议将于6月22日在OFweek官方直播平台举办,将邀请国内外知名电子企业技术专家,聚焦半导体领域展开技术交流,为各位观众带来技术讲解、案例分享和方案展示。

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