智能功率集成电路中功率半导体器件的探析

    马俊

    

    

    

    摘要：文章首先介绍了智能功率集成电路及功率半导体器件；接着分析了智能功率集成技术；最后详细阐述了功率半导体器件在智能功率集成电路中的应用，主要是智能功率集成电路功能和智能功率集成电路应用等。

    关键词：智能功率；集成电路；半导体器件

    中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）12-0252-02

    在当今电力电子技术领域，智能功率集成电路作为应用的最前沿，随着综合控制技术的快速发展，也极大地提升了电力电子技术的使用效率，同时功率半导体在智能功率集成电路上的应用，也使智能功率集成系统大大提升了实际的应用性能，使其工作条件需求得到有效的降低，促使应用成本的节约，对智能功率集成系统大规模的推广应用起到了一定的促进作用。

    对于电力电子装置来说，现有的一部分设备是由芯片组合而成的，芯片又是由低压或者不同的高压功能模块制作而成。如果在电力电子装置上的同一块芯片上囊括了所有需要的功能模块，就是单片式功率集成电路，在电力电子技术中，这是较为新颖的具有活力的发展趋势[1]。对于电力电子技术发展的智能化进程，单片式功率集成电路完全符合其发展需求，所以也常被记为SPIC，即是智能功率集成电路。电力电子技术从晶闸管时代一路走来，经历了更新换代的核心功率器件时代，并在继续迈向智能化、集成化、高频化以及全控化的发展方向。智能化功率集成电路是从智能化发展而来，尤其是在节能减排的今天，得到了越来越多的应用，每年都在不断提升其市场占有率。

    1 智能功率集成电路及功率半导体器件

    1.1智能功率集成电路

    在保护电子系统的前提下，当前许多电力电子装置都把大量的电气和线路保护装置应用到电子电路系统中，这些保护装置是通过并线连接各类线路状态处理模块进行作用机制的创新，在电气设备中，通过检测连接进入其中的能源，对线路中的电流类型进行判断，再在相应线路状态中进行处理模块的线路连接，在这一过程中，最典型的模块就是安装在不同芯片上的低压和高压功能模块，电气设备由于这种模块并联模式可以得到较好的保护，但是对于电子芯片组成的电力电子装置而言，这种重复设计使其设计成本受到了严重的影响，如果在一块芯片中装入电力电子装置需要的所有模块，并在电力电子装置中使用该模块，系统综合的处理可能会遇到的各种电力供应情况，这就形成了单片式功率集成电路，这种芯片设计方向在现代电力电子技术中表现出了良好的活力[2]。从一定程度上来说，这种芯片集成模式使电力电子的智能化技术难题得到很好的解决，所以这种规模较大的芯片集成技术，也被定义为智能功率集成电路。

    在同一个芯片中SPIC集成了所有的低压电路以及高压器件，在原电力电子装置的基础上把模块间连接多余的部分进行了有效的消除[3]。不仅使电路稳定性得到有效提高，同时使高频工作状态下模块间引线造成的电路破坏得到明显降低，还可以在芯片中集成一些保护电路如使保护功率器件的力度得到增强。所以，不仅能使集成度得到显著提高，成本得到有效降低，还有助于提升芯片的整体可靠性。

    1.2 功率半导体器件

    电力电子器件也可成为功率半导体器件，一般指在电力电子装置中通过对半导体材料特性进行充分利用制成的功率电子器件，相当于开关的作用。功率半导体器件，从字面上理解就是组成的主要材料是功率半导体，在电力电子装置中，这种元器件通过发挥半导体材料的特性，充当线路开关的作用[4]。半导体器件从诞生至今已经历经了多次的高速发展阶段，形成的电力电子器件种类繁多。针对当前不同的半导体功率器件，图1展示了在工作范围不同时这些器件的应用领域，在对功率半导体器件进行合理选择和使用时提供一定的参考依据。对于功率半导体器件来说，发展半导体材料，然后在材料更优的基础上设计半导体器件是其未来的发展方向之一。

    在电力电子装置中，功率半导体器件作为其中的“功率开关”，在电力电子装置当前的实际应用要求中，不仅要具有稳定性，其状态转换能力也要极高，功率半导体器件在理想状态下应该具备以下功能[5]：半导体的状态为开通时，半导体本身为零阻力，流经半导体的电流不会带来能耗，也不会因为大量电流在短时间内流经半导体本身产生大量的热量使半导体烧毁；半导体的状态为关闭时，半导体是作为绝缘体存在的，其漏电流为零，线路中的高压电流无法将其击穿。功率半导体器件在两种状态转换时，并没有花费时间，其状态转换瞬间完成的动力是管控线路的微弱信号。半导体不管是在开通还是在关闭状态都具有较高的稳定性，外部电磁环境的变化并不会对其造成影响，功率半导体器件在运行过程中，频繁的开关操作并不会造成半导体的老化，其状态控制能力也不会因此而有所退化。

    2智能功率集成技术

    2.1 OPTVLD 理论

    陈星弼教授于1992年研究得出一种最佳技术：横向变掺杂结构，通过不断的优化和完善，广泛的应用和研究，这种技术发展成为OPTVID，也可称为优化横向变掺杂理论[6]。这种理论能够在尽可能短的距离内使表面耐压结构拥有尽可能大的击穿电压，用途相当广泛。发展至今，这种理论已经在横向漂移区和结边缘等结构中得到了成功的应用，生产工艺和隔离技术也有了相应的配套设置，作为智能功率集成技术的一种，可以在同一芯片中集成各种低压电路、高侧和低侧的高压器件。

    注入窗口通过光刻掩膜版可以对其孔径和密度进行控制，确保具有横向变化的注入杂质剂量。通过高温扩散工艺的使用，使因间隔注入导致的杂质不连续分布情况得到有效消除，横向渐变杂质分布，横向变掺杂结构就得以形成，图2给出了具体的结构示意图，由图可知，引入的变掺杂区不仅使原有的冶金结面处电场得到改变，也使冶金结面面貌得到改变，但是沿电力线方向，异型材料的交界面一直都是电场峰值所在，同时，沿电力线方向电场在穿过冶金结面时也不会有过于剧烈的电场变化，这种理论为以下假设提供了依据：电场分布是沿冶金结面的，当临界击穿场强Ec与某处峰值相同时，就可以认为结构被击穿。为了便于解析计算，先假定在一个极薄的表面层内分布有引入的电荷，冶金结面区域水平，沿此水平结面的电场分布也基本等同于沿横向距离的表面电场分布。

    2.2解析计算横向变掺杂结构

    在把电荷引入到表面耗尽区的过程中，为了对最佳方法进行找寻，陈星弼教授通过使用椭圆柱坐标近似法开展了解析计算。他首先归一化处理泊松方程求解所需的变量，确保求解结果能够在不同掺杂浓度衬底中适用，使解的应用范围得到提高。图3给出了简单明了的结果示意图，其中的曲线又可称为OPTVLD 曲线。

    在上图中，归一化的离开主结横向距离作为横坐标，归一化的掺杂剂量作为纵坐标，主结的横向实际距离用x表示，实际掺杂剂量用N表示，在衬底相同时，在最大反偏压下平行平面结的耗尽区宽度用Wpp来表示，轻掺杂浓度与耗尽区宽度的乘积用Npp来表示。

    在上述公式中，VBR、NB、q、εs分别代表反向击穿电压、衬底浓度、单位电荷以及半导体的介电常数。优化横向变掺杂理论的物理意义可以描述如下：如果可以按照曲线改变所掺杂质的剂量，沿着表面其分布是横向变化的，也即是说伴随不断增加的离开主结横向距离，所掺杂质的减少是有规律可循的，就能使表面电场的峰值得到最大程度的减小，使击穿电压得到提高。

    3功率半导体器件在智能功率集成电路中的应用

    3.1 智能功率集成电路功能

    功率控制、智能接口以及传感保护是SPIC的三大模块。其中功率控制对象主要为功率半导体器件和驱动电路，在功率器件常见的图腾柱式应用过程中，高侧器件和低侧器件具有不同基准电位的驱动电路，驱动电路中还要装置高压电平位移电路，实现控制信号从低侧向高侧的传递。通过模拟电路传感保护模块可以对芯片内电压、温度以及电流等信息进行采集并向保护电路反馈，在必要时有效保护芯片。此外，电力电子装置不仅要对接源和负载，为了编码控制的实现还要对接外部计算机。所以智能接口模块也起到了相当重要的作用，可以实现外界与SPIC的指令传输和信息沟通。

    功率控制在三大功能模块中是最关键的模块，智能接口和传感保护是为其提供服务的，电路的功率控制，在智能功率集成电路中能实现电路的主要作用，因为通过分析功率的现状和需求，系统本身已经明确认识到装置需求的能源模式，明确认识到电力电子装置应该输入到接口段的线路电流，最关键的是，如何在电力电子装置需求的基础上转化现有能源，而且这一转化过程是在功率半导体器件基础上完成的，通过半导体的特性，通过对其运行状态的改变就能够转化能源特点，使其与装置的能源需求相吻合，确保电力电子装置能合理、稳定的运行。

    3.2智能功率集成电路应用

    半控型晶闸管是初期功率半导体器件的代表，是半导体材料开展的最初级的应用，通过对半导体自身特性的应用调节线路功率，在这种调节方式下，其工作状态有一半不可控，所以该晶管闸被称为半控型的，由于半导体的特性及其管控方式的不足，只能在器件开通状态下对功率半导体器件进行线路能源状态的调整，线路无法实现完全绝缘。以上缺陷再加上过大的半控型晶管闸体积，在智能芯片中完全无法使用，直到出现LDMOS器件这一问题才得到有效的解决。在智能功率集成电路中通过功率半导体的使用，能源供应的智能管控也得以实现。

    智能功率集成技术要在同一芯片中把所有功率器件都集成进去，不仅是要对单个形态器件的集成，还要对图腾柱式的功率管组进行集成。在图腾柱中，高侧器件位于连接高压的一端，低侧器件位于接地的一端，盆即是其中间点。高侧和低侧器件仅受驱动电路控制，两者之间互不影响。

    4结论

    在智能功率集成电路中，作为线路功率的管控系统，功率半导体能确保电路的正常和稳定运行，其器件质量也是集成电路运行效率的关键影响因素。电力电子技术经过不断地发展，正在向智能化、集成化的方向发展，在目前这个倡导节能、减排、环保的大背景下，智能功率集成电路应用越来越广泛，也体现出了巨大的应用价值。

    参考文献：

    [1] 蒋苓利 . 功率集成电路中高压 ESD 防护表面电流抑制模型与器件研究 [D]. 电子科技大学 ，2013.

    [2] 亢宝位 . 国际功率半导体器件与功率集成 电 路 会 议 （ISPSD） 介 绍 [J]. 电 力 电子 ，2004，04：3+20.

    [3] 吴郁 .2008 年 IEEE 功率半导体器件及集 成 电 路 国 际 会 议 评 述 [J]. 电 力 电子 ，2009（2）：6-16.

    [4] 罗萍.智能功率集成电路的跨周调制PSM 及其测试技术研究 [D]. 电子科技大学，2004.

    [5] 高珊.复合栅多阶梯场极板 LDMOS 电学特性的研究 [D]. 安徽大学，2007.

    [6] 李奎兵.智能功率集成电路中部分子电路的分析与设计 [D]. 电子科技大学，2006.