半導體（Semiconductor）是現代電子信息社會的物理基石，并已成為推動各種革命性變革和創新的強大驅動力，這點已是當前的社會共識。而功率器件正是半導體大產業的細分類別之一，在從電網、高鐵等高功率裝備、設備，到家電、數碼產品、手機等中低功率日常消費電子產品中，功率器件都扮演著不可或缺的電能轉換、供給的角色。

功率器件也稱電子電力器件，是主要用于電氣工程、電力系統中，根據負載的要求處理電路中電力轉換的器件，從而使電氣設備得到最佳的電能供給和高效、安全、經濟的運行。與普通的半導體器件一樣，目前功率器件所采用的主要材料仍然是硅，但由于硅基材料自身的物理屬性限制，在電力轉換領域以碳化硅為代表的第三代半導體材料制作的功率器件正逐漸嶄露頭角。半導體產業的發展始于功率器件，因此我們從半導體材料的發展歷程講起。

目前在全部三代半導體材料中，雖然第一代半導體材料里鍺最先被研究且應用，但由于其造價較高（比白銀稍貴），穩定性較差，難以像硅基器件制作穩定、致密的二氧化硅絕緣層，因此在實際中應用極少，目前主要集中于半導體行業中部分光電子器件領域的發光二極管、太陽能電池；二代、三代半導體材料主要為化合物半導體，化合物半導體中，目前主流第二代半導體材料GaAs占據了化合物半導體市場上79%的份額，但得益于最大功率范圍、頻率、亮度、耗電量以及高頻噪聲等方面的優勢，各大廠商都認為第三代化合物半導體（GaN以及SiC）在應用端將有更優異的表現。未來，當射頻芯片市場向高功率、高頻率演進，比如隨著5G的不斷應用，GaN將成為該領域最主要的解決方案材料；同時電力轉換領域向高電壓、高功率挺進時，SiC因其在高溫、高壓、高頻方面的優勢，將成為功率器件領域最有效率的制作材料。

功率器件本來是屬于半導體產業中的分立器件子類別，但隨著制造工藝的不斷提升，目前有部分產品可以與集成電路復合生產，所以以功率半導體的發展來介紹行業演變。功率半導體的發展可分為以下四個階段：

第一階段是以整流管、晶閘管為代表的發展階段。這一階段的功率器件在低頻、大功率變流領域中的應用占有優勢，取代了早先的汞弧整流器。1947年美國著名的貝爾實驗室發明了晶體管，功率二極管開始應用于電力領域，1956年貝爾實驗室又發明了晶閘管，1957年美國通用電氣公司開發出世界上第一只晶閘管器件，開創了傳統的功率器件應用技術階段，晶閘管屬于半控型器件，即可通過信號控制其導通但無法實現關斷的器件，實現了弱電對強電的控制，在工業界引起了一場技術革命。由于晶閘管具有可控的單向導電特性，被首先用于整流電路，因此也被稱為可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier,SCR）。SCR在體積、重量、動態電氣性能和控制性能的優越性，很快就取代了水銀整流器和旋轉變流機組，且應用范圍迅速擴大，晶閘管的迅速發展使得中大功率的各種變流裝置和電動機傳動系統得到了快速發展。因為屬于半控型器件，通過對SCR門極的控制，SCR僅能導通而不能關斷，即該器件這一缺點使得SCR的應用有著很大局限性，關斷這些器件的控制電路存在體積大、效率低、可靠性差、工作頻率低以及電網側和負載上諧波嚴重等缺點。

自功率IC出現以后，功率半導體市場從單一的功率器件產品，豐富為功率器件、功率集成電路產品并存，而又由于各代功率半導體產品在自身結構體系內不斷迭代、在不同的應用領域及生產成本方面各有優勢，當前整個功率半導體市場呈現出多代產品共存的局面。

未來，隨著半導體加工技術及功率半導體技術的不斷發展，電力電子技術也在不斷向前發展，并表現出如下特征：1、降低產品的重量、體積；2、減少電力轉換過程中的損耗；3、降低生產成本，縮短研發周期；4、降低產品的失效率，提升產品的可靠性；5、進一步提升功率密度和開關頻率，以適應更多新興發展方向；6、多代產品依照其功能、價格特點，依舊保持共存局面。

MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET）即金屬-氧化物半導體場效應晶體管，由P極、N極、G柵極、S源極和D漏級組成。金屬柵極與N極、P極之間有一層二氧化硅絕緣層，電阻非常高。不斷增加G與S間的電壓至一定程度，絕緣層電阻減小，形成導電溝道，從而控制漏極電流。因此MOSFET是通過電壓來控制導通，在G與S間施加一定電壓即可導通，不施加電壓則關斷，器件通斷完全可控。MOSFET的導通與阻斷都由電壓控制，電流可以雙向通過。MOSFET的優點是開關速度很高，通常在幾十納秒至幾百納秒，開關損耗很小，通常用于各類開關電源，缺點是在高壓環境下壓降很高，隨著電壓上升電阻變大，傳導損耗很高。

MOSFFET的結構原理較為簡單，但隨著電力電子領域不斷有新的架構方式被開發出來，尤其是Trench-gate、Super Junction、Insulated Field Plates等技術的應用大幅改善了Power MOSFET的能量轉換效率及工作頻率，使得MOSFET也經歷多次更新換代。

MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET）即金屬-氧化物半導體場效應晶體管，由P極、N極、G柵極、S源極和D漏級組成。金屬柵極與N極、P極之間有一層二氧化硅絕緣層，電阻非常高。不斷增加G與S間的電壓至一定程度，絕緣層電阻減小，形成導電溝道，從而控制漏極電流。因此MOSFET是通過電壓來控制導通，在G與S間施加一定電壓即可導通，不施加電壓則關斷，器件通斷完全可控。MOSFET的導通與阻斷都由電壓控制，電流可以雙向通過。MOSFET的優點是開關速度很高，通常在幾十納秒至幾百納秒，開關損耗很小，通常用于各類開關電源，缺點是在高壓環境下壓降很高，隨著電壓上升電阻變大，傳導損耗很高。

MOSFFET的結構原理較為簡單，但隨著電力電子領域不斷有新的架構方式被開發出來，尤其是Trench-gate、Super Junction、Insulated Field Plates等技術的應用大幅改善了Power MOSFET的能量轉換效率及工作頻率，使得MOSFET也經歷多次更新換代。

寬禁帶功率器件指基材禁帶寬度較高（大于2.3eV）的功率器件，一般僅指基于碳化硅、氮化鎵這類第三代半導體材料制作的功率器件。寬禁帶半導體由于基材與硅不同，所以在器件性能上與硅基器件有較大差異，例如第三代半導體材料的優點是禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率高、抗輻射能力強、頻率高，在高壓、高溫、高頻應用領域相較于傳統硅基器件有更強優勢，同時使得系統結構簡單化，降低損耗，更加節能，因此第三代半導體材料尤其適用于需要進行大功率電流轉換的功率器件領域。。另外，第三代半導體材料的另一個優點是安全、環保，不會像砷化鎵（GaAs）、磷化銦中（InP）等對環境以及人體產生危害。而由于氮化鎵在材料端制備環節仍存在較大技術難度，當前具備大規模量產條件的第三代半導體功率器件僅有碳化硅。

更高的擊穿場強、更好的熱穩定性、更高的電子飽和速度及禁帶寬度等，能夠大大提高功率器件的性能表現。總結來看，對比硅基器件，碳化硅功率器件主要有三大優勢：

（1）耐高溫、高壓。碳化硅功率器件的工作溫度理論上可達600℃以上，是同等硅基器件的4倍，耐壓能力是同等硅基器件的10倍，可以承受更加極端的工作環境。

（2）器件小型化和輕量化。碳化硅器件擁有更高的熱導率和功率密度，能夠簡化散熱系統，從而實現器件的小型化和輕量化。

（3）低損耗、高頻率。碳化硅器件的工作頻率可達硅基器件的10倍，而且效率不隨工作頻率的升高而降低，可以降低近50%的能量損耗；同時因頻率的提升減少了電感、變壓器等外圍組件體積，降低了組成系統后的體積及其他組件成本。

目前第三代半導體在器件結構上主要以二極管、MOSFET為主，由于其相對于硅的優良的耐高壓、高頻特性，使得目前以MOSFET結構便足以替代硅基IGBT的廣泛應用場景。

當前第三代半導體功率器件處于起步階段，2018年全球市場規模約在4-5億美元左右，以碳化硅功率器件占絕大多數，主要應用在電力轉換領域，市場每年以30%左右的速度高速增長。當前碳化硅功率器件主要在新能源汽車的車載充電機、充電樁、計算機電源、風電逆變器、光伏逆變器、大型服務器電源、空調變頻器等領域有初步應用。

碳化硅MOSFET在繼承了硅基MOSFET的開關特性優異的特點時，因材料特性提升了耐壓能力，可處理大功率電力需求并實現高速開關，從在耐大功率、高頻率的全控型器件方面對硅基IGBT產品定位實現對標。

在左邊IGBT與FRD組成的模組中，通過當IGBT的開關OFF時的波形可以看到，會產生流過元器件結構引起的尾（tail）電流，因而產生不必要的開關損耗。

而在下圖右邊碳化硅MOSFET和SBD組成的模組中，通過當開關OFF時的波形可以看到，碳化硅MOSFET不流過尾電流，因此相應的開關損耗非常小。

碳化硅MOSFET、SBD的模組與硅基IGBT、FRD的模組的關斷損耗Eoff相比，降低了88%。同時，因硅基IGBT的尾電流隨溫度升高而增加，在高溫時損耗相較于碳化硅MOSFET將進一步加大。

無錫國晶微半導體技術有限公司是寬禁帶第三代半導體碳化硅SiC功率器件、氮化鎵GaN光電器件以及常規集成電路研發及產業化的高科技創新型企業，從事碳化硅場效應管，碳化硅肖特基二極管、GaN光電光耦繼電器、單片機集成電路等產品芯片設計、生產與銷售并提供相關產品整體方案設計配套服務，總部位于江蘇省無錫市高新技術開發區內，并在杭州、深圳和香港設有研發中心和銷售服務支持中心及辦事處。

公司具有國內領先的研發實力，專注于為客戶提供高效能、低功耗、低阻值、品質穩定的碳化硅高低功率器件及光電集成電路產品，同時提供一站式的應用解決方案和現場技術支持服務，使客戶的系統性能優異、靈活可靠，并具有成本競爭力。

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特別在高低壓光耦半導體技術方面更是擁有業內領先的研發團隊。在國內創先設計開發了28nm光敏光柵開關PVG芯片技術，并成功量產應用于60V、400V、600V高低壓、低內阻、低電容的光電耦合繼電器芯片、涵蓋1500kVrms SOP超小封裝及3750kVrms隔離增強型常規SMD、DIP等不同封裝，單路、雙路、混合雙路、常開常閉等電路產品，另包括200V SOI MOS/LIGBT集成芯片、100V CMOS/LDMOS集成芯片、8bit及32bit單片機等集成電路產品，均獲得市場及各重點科研單位、檢測機構的新產品認定。

公司核心研發團隊中大部分工程師擁有碩士及以上學位，并有多名博士主持項目的開發。公司建立了科技創新和知識產權管理的規范體系，在電路設計、半導體器件及工藝設計、可靠性設計、器件模型提取等方面積累了眾多核心技術，擁有多項國際、國內自主發明專利。

“國之重器，從晶出發，自強自主，成就百年”是國晶微半導體的企業目標，我們為員工提供精彩的發展空間，為客戶提供精良的產品服務，我們真誠期待與您攜手共贏未來。

審核編輯：湯梓紅