2014年01月22日08:29
功率半導體包括整流二極管、功率晶體管、晶閘管。
其中，功率晶體管具有“放大”和“開關”的作用。放大是指將低頻功率變為高頻功率，開關是指切換電路的開與關。
充分利用放大作用，就可以使用小功率驅動馬達。切換電路開與關的開關速度越快，越能實現精密控制。
功率晶體管還可以進一步分成三個種類。
首先，雙極晶體管是由3個端子組成的半導體，利用輸入電流控制擴大和開關。雖然放大率高，適合處理較大電流，但也存在開關速度慢的缺點。
其次，功率MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）是利用輸入電壓控制動作。耗電量較小，能夠實現高速開關。但處理大電流時的損耗大。
最后是IGBT（絕緣柵雙極晶體管），在一個半導體元件（芯片）上集成雙極晶體管和MOSFET而構成。不僅耗電量小，能夠處理大電流。而且可以實現高速開關。
通過大型化降低成本
用來提高功率半導體能量利用效率的是使用新材料的新一代產品。其中有望成為主流的是使用碳化硅的產品。與硅相比，碳化硅能夠耐受大電壓、大電流，大幅削減工作時以熱量形式散發的功率損耗。與硅制產品相比，理論上可減少70％的功率損耗。
三菱電機從1990年代開始研發SiC功率半導體。2010年，該公司使用SiC功率半導體，在全球率先上市了變頻空調。2012年，東京地鐵銀座線的部分車輛也採用了該公司的產品。與過去相比，車輛系統節能高達38.6％。
現在，阻礙普及的因素在於成本。碳化硅結晶需要的時間長，價格是硅的幾倍甚至十幾倍。而且晶圓不易大型化。
2013年10月，三菱電機開發出了世界上最大的使用碳化硅的功率MOSFET，尺寸為1cm見方。面積是過去的5mm見方的4倍。通過大型化，配備芯片的數量減少，從而可以降低成本。
機床的驅動馬達等使用的工業用IGBT模塊。照片為三菱電機的產品。
作為功率半導體領域的后起之秀，羅姆也在1990年代著手開發使用碳化硅的產品。並於2009年收購了德國的碳化硅晶圓企業SiCrystal，由此，建立起了從碳化硅晶圓到模塊的一條龍開發、制造體制。
2013年，羅姆開始使用碳化硅量產大口徑的6英寸晶圓。1枚晶圓可以切割的芯片數量是過去的兩倍，提高了生產效率。該公司把功率半導體視為增長的動力之一。碳化硅則是功率半導體的核心。
與碳化硅同樣被看好的還有氮化鎵。氮化鎵具備的優點可舉：比硅更耐受高電壓，可以縮短電極之間的距離﹔發熱少，耗電量也小﹔開關速度高於碳化硅，可以支持高頻率，因此能夠使周邊部件小型化。但缺點是不支持大電流、大電壓，隻適用於家電等輸出功率較低的電器。
功率半導體市場雖然前景光明，但估計今后競爭將激化。2013年11月，富士通與富士通半導體發布新聞稱，該公司與美國Transphorm公司整合了氮化鎵功率半導體業務，社會為之沸然。富士通的研發團隊和知識產權轉移到Transphorm，富士通半導體則轉變體制，專門承接制造和銷售業務。這在實質上是業務轉讓。
富士通半導體功率器件業務部長淺井祥守說：“我們覺得，大批的量產訂單即將到來，現在正是作出決斷的時機。”
富士經濟表示，到2020年，新一代功率半導體的全球市場將擴大到1909億日元，約為2012年的25倍。2014年到2015年預計將是全面普及的時期，企業之間的合縱連橫作戰如今已經打響。（作者：外? 祐理子，日經技術在線！供稿）
 |
