本文将着重介绍“功率半导体到底是什么"，从多角度进行阐述，对功率半导体的定位、作用进行概括，并与大规模集成电路(LSI)进行区分。一、功率半导体到底是什么
我们从功率半导体的基本定义开始介绍，后续章节再慢慢展开，
关于“Power”的含义
Power所说的“功率”，意思其实是“电力”。英语中，发电厂称为“Power House或“Power Station”，输电线称为“Power Line”，电源叫作“Power Supply”，虽然没有“Electic-”的词缀，但都表示着电力相关的意思。而所谓功率半导体，如下图所示就是用电气控制的方法将输人的电力进行转换，以其他形式进行输出的一种器件。这里所说的“电气控制”是非常重要的控制手段，因为与之相对的，也就是传统的“机械控制”，很容易随着年代久远而产生故障。那么什么是“电力转换”?这个问题将在后面解释。
近年来，大家可能常常听到“半导体产能不足”这样的新闻，其中提到了“半导体’这个术语。“半导体”是一个与固体导电性相关的专业术语，同时也包含了半导体产品半导体器件的意思。因此，“半导体产能不足”其实是指“半导体产品、半导体器件”产能不足。半导体产业就是像下图那样，包含了半导体材料、半导体制造设备、半导体制造工艺、半导体产品、应用产品等，从上游到下游连成的一个整体，是电子信息产业不可缺少的组成部分。
功率半导体与普通半导体器件的明显区别
功率半导体与普通半导体器件的区别:一方面，像前面所说的，功率半导体是专用于实现“电力”转换的装置，而普通半导体一般处理“信号”的转换和传输；另一方面功率半导体的工作电流远远大于普通半导体器件。半导体器件究竟是如何分类的，这个问题会在后面说明。因此，我们以生产一个半导体晶体管为例，功率晶体管和普通的晶体管，其基本构造、制造工艺到基础材料，包括生产企业都是不一样的。
半导体产业与汽车产业的比较
半导体产业与汽车产业有一定的可比性，有共同点，也有不同点，如下图所示。共同点是:汽车的产品，从跑车到卡车，种类繁多，而半导体产业也是如此，其制造方法、生产企业也是百花齐放。
两者的不同点在于：汽车产业中，每一种品牌、型号的汽车，外观都是完全不一样的，体积都很大;而半导体产业中，同类产品的外观基本相同，体积都很小。二、把功率半导体比作人的身体
功率半导体相比于普通半导体器件，功能有什么区别?我们尝试用人体进行类比，来解释这个问题。
功率半导体的作用
半导体器件的用途多种多样。但正如前文所述的，半导体器件是由电气驱动的器件它的工作过程就是将外部的电信号送入半导体器件，在器件内部转换成其他形式的电信号，然后从器件里向外输出。所以半导体器件本身并不能产生信号或是电力(能量)，而是一种使信号和电力发生改变的转换装置。
在一些入门书籍或者讲座中，常常把半导体器件与人体进行类比。例如，计算机中的MPU（MPU:MicroProcessing Unit(微处理器)的缩写。内部含有一枚CPU(CentralProcessing Unit，中央处理器)，负责计算机中的运算和数据处理。）和存储器(Memory)掌管着信息的计算、处理和存储，可以比作大脑;传感器可以比作耳朵和眼睛等，就是人体的五种感官;太阳能电池可以产生能量(严格地说，只是将太阳能转换为电能)，可以比作食道、肠胃之类的消化器官为人体提供营养。做了这样的类比，我们就比较容易理解。
那么功率半导体又如何呢?可能有人会联想到手脚上的肌肉，但实际上功率半导体本身并不能运动。机器中能运动的装置包括电动机、机械臂(含有运动部件的小型机械)或者 MEMS（MEMS:Micro Electro Mechanical System 的缩写，电子器件和机械器件的融合体，代表性的有加速度传感器。）之类的小型器件，这些可以比作手脚上的肌肉。而功率半导体是为这些装置供应电力或进行控制的，因此应该将其比作血管或神经才更合适。如下如所示。
什么是“电力转换”
功率半导体的作用，用一句话来概括，就是前文所说的“电力转换”。具体来说是怎么一回事呢?
我们在下图做了一个概括。电信号包括交流信号(AC:AltermatingCurrent)和直流信号(DC:DirectCunrent)。其实，将它们互相转换，就叫作“电力转换”
其中用作正向转换的器件是整流器(转换器)(Converter)。正向转换是从交流信号转换为直流信号，其原理就是所谓的“整流作用”。
相反，直流信号转换为交流信号称为逆向转换。实现这一转换的叫作逆变器(Inverter)以后整流器、逆变器这些词将频繁出现，请读者牢记。除此之外，还有交流信号的频率或电压的转换，直流信号的电压转换。直流信号的情况下，我们不会说频率转换这回事，因为直流信号不存在频率。这种分类是根据电流的种类来划分的。
另外，可转换的参数可以按照电流、电压、频率这样来分类，就像下图中所示记住这些，后面的章节还会再提起。③所说的频率转换是只存在于交流信号中的。
举例来说，电力机车的电力转换就是其中的一种。功率半导体具体是如何实现电力转换的，将在后面说明。
功率半导体相比于其他半导体器件，比较不为人知。比如用于图像处理的大规模集成电路，它们所起到的作用人们可以很直观地看到。而用于电力转换的功率器件，人们无法直接感知。功率半导体正是在扮演着这种“无名英雄”的角色。话说回来，同样叫作 Inverter，在半导体的不同领域中具体表示的也可能是不同的意思。比如数字电路中的一种基本门电路“非门”，英文也是 Inverter。
三、身边的功率半导体
这部分将举出一些人们日常生活中用到的功率半导体的案例，为了兼顾功率半导体的整体，会举出各种例子来发现它们的共同特征。供电公司名称都是以“某某电力”来命名的，都带有“电力”二字。提起这两个字总是容易让人联想到发电厂、输电线上流过的巨大电流。电力表示单位时间内电的能量，物理学中叫作“电功率”，电功率=电压x电流，看到这个公式，就能明白作为电力转换器件的功率半导体，为什么需要那么大的电压和电流了。
那么功率半导体在我们的家庭里，具体用在了哪些地方呢?
按照如今的生活水平，举几个例子来看日常所用到的功率半导体。本内容中所列举的数据，都是按照日本的标准来说的。一一般来说，从电网送到每个家庭的供电电压都是100V(中国是220V)，但电流却按照情况各有不同，都是几十A(安培，电流单位下同)。我们晚上看书要用到日光灯，日光灯从家里的插线板获取电力其工作原理是这样的:日光灯的灯丝被加热，电极间被加上高电压后产生放电现象，将电能转换为了光能。这样即使是在夜里，人们也可以读书了。以前老式的日光灯，会让人觉得灯光好像在闪烁。这是由于日光灯在1s内，其实发生了 100~120次“开”和“关”的动作，因而造成了闪烁的感觉。后来“逆变器”被应用到了日光灯上，灯就不再闪烁了。首先，家用的100V(50Hz或60Hz)交流电被整流电路转换为直流电，接着通过逆变器，直流电再次变成交流电但这次的频率变成了50kHz。50kHz意味着日光灯每秒钟开关5万次，人的眼睛觉察不出这样快速的变化，也就不觉得灯光闪烁了。
通过这个例子我们明白了，在这个过程中发生了两次电力转换:第一次是交流电到直流电，第二次是直流电到交流电，如下图所示。而在所用到的整流电路和逆变器中起到关键作用的就是功率半导体。
把最初固定电压、固定频率的交流电经过整流电路转换为直流电，电压可以根据实际需要来控制。更重要的是，直流电可以经过逆变器的作用，转换为其他频率的交流电，来满足不同电器的要求。
什么是“逆变器控制”
我们来看下一个例子。可能有人听说过，空调也是用逆变器来控制的。的确，现代的空调几乎都是用逆变器来控制的。具体来说，是利用逆变器改变交流电的频率，根据环境的温度，来调整空调压缩机(Compressor)中电动机的转速，以此来达到节能的目的。电动机转速越高，温度变化就越快;电动机转速越低，温度变化就越慢。在没有使用逆变器控制以前，老式空调的电动机只有开(on)和关(off)两档，一旦打开，转速就是固定的，这样非常浪费电能。有了逆变器以后，电动机的转速就不再是固定的，而是可以按照实际需要来控制，从而实现了节能。下图简单地画出了这种结构示意图。没有逆变器的老式空调机，温度变化用不同颜色的折线来表示:而使用逆变器控制的空调机，温度变化用黑色曲线来表示。不难看出，黑色曲线所对应的温度调整更加平稳。
总而言之，逆变器灵活地调整了空调机中交流电的频率和电压值，提高了工作效率。而逆变器中的关键元件，就是功率半导体，后面还会详细阐述。如今，在舒适的空调房里，在日光灯下阅读本书的读者，都应该感谢功率半导体的贡献。
这就是功率半导体在我们日常生活中发挥作用的两个例子。其他身边的例子还有，比如计算机的电源适配器。这里同样是将100V商用交流电经过整流电路变为直流电，并调整为计算机工作所需的电压值。整流电路的原理后面会讲，其中用到了功率二极管，也属于功率半导体。另外，顺便一提，电源适配器很重，因为其中的变压器是在一块铁芯上用大量导线绕制而成的。变压器的作用就是把商业用电的高电压转换为计算机所需的低电压。
四、电子信息产业中功率半导体的定位
在这部分中，我们一起看一看，在总市值300兆日元(译者注:按日本的换算规则，1兆=1万亿)的全球电子产品市场中，功率半导体的定位。
电子产品
常见的电子产品有哪些?在下图中根据用途对电子产品做了分类，并举了一些例子。电子产品的范围非常广泛，这张表尽量列出了其中的主要部分。其中，功率半导体属于半导体类别中的分立半导体，这在后面将会提到。
可实现高速开关的半导体器件
接着来看一下电子产品中的一个分类--半导体器件。先简单介绍一下什么是半导体。
在物理学中，一种固体如果能导电(电流能在其中通过)，就称为导体，例如金属:如果不能导电(电流无法在其中通过)，就称为绝缘体，例如塑料;而半导体则是介于导体和绝缘体之间的一类固体，如下图所示。半导体在一般情况下不导电，但是在某些情况下就变得可以导电。后面将会详述，可以通过外部的电信号来控制半导体的导电性，使其导电或不导电。导电性可以人为控制，这是半导体的一个特性。换句话说，半导体可以使电流时而流通，时而不流通(不流通就叫作截止)。这样半导体就相当于一个开关，并且这个开关可以在开和关两个状态之间实现每秒上万次的高速切换。我们生活中常见的机械开关，是无法进行这样的高速开关的。这种高速开关的能力是半导体所独有的，尤其是对于功率半导体来说，这个能力非常重要。
总结起来，我们明白了半导体器件可以在电信号的控制之下，实现开关以及其他动作。这是一种有源器件（有源器件:是需要外部提供能源才能工作的电子元件，也称为主动元件(Acive Device)。）
五、半导体器件中的功率半导体
半导体器件的市场虽然受到各种因素影响，但全世界的规模依然有50万亿日元以上（受汇率影响)。这里我们尝试在半导体器件中为功率半导体做一个定位。
半导体器件与时代潮流
集成电路才刚刚出现，在印象中，晶体管是那个时代半导体器件的主流。两根管脚的罐头形晶体管和三根管脚的塑料封装晶体管，是当时身边常见的半导体笔者年轻时曾跟一位姑娘聊天。对方问:“您是做什么工作的?”笔者回答说:“我是做半导体相关工作的。”结果对方非常仰慕:“呀，那计算机什么的您也一定很懂吧?”然后又追着问了很多问题。后来的谈话内容已经记不清了，但这样的谈话反映出了人们对半导体的普遍认知。当时社会上到处有 Intel Inside 或者英特尔的广告，所以“半导体=计算机’这样一种理解深人人心。
半导体的应用范围一直在扩大，不断涌现的半导体产品，每一个都代表着那个时代的技术水平、尖端商品和发展趋势。笔者年轻时，是半导体=晶体管收音机的时代。20世纪80-90年代，是半导体=电视游戏机的时代。现在也许应该说是平板计算机、智能手机的时代了。而将来则有可能是电动汽车的时代。
功率半导体是无名英雄吗
虽然半导体已经走进了我们生活的方方面面，但是要说其中的功率半导体这一分支有什么代表性的产品，却怎么想也想不到。原因之一是像前文所说的，功率半导体总是在不显眼的地方发挥作用。后面会说到，功率半导体在电力机车上用作电力转换，只在一般人看不到的地方用得比较多。这就是功率半导体被称为无名英雄的原因吧。最近HH(电磁感应加热)电磁炉的热卖，让功率半导体也有了扬眉吐气的机会。
我们对电路中的所有元件做一个分类，如下图所示。其中，半导体器件属于有源器件(Actve Device)。有源器件需要外部电源提供能量，将输人进来的电能或信号进行转换。图中深色背景的就是功率半导体。功率半导体在如今的半导体市场中占有一成的比例。
半导体中的功率半导体
下图中将半导体器件分为集成器件和分立器件(单功能器件)两类。从这种分类中可以看到，功率半导体属于分立半导体器件。不同于大规模集成电路(LSI)（LSI:Large Sealed Integraled circuit 的缩写，意为大规模集成电路，在一个电路中至少含有1000个以上电子元件。）是由各种半导体器件组合而成，具有复杂的功能和大的记忆容量，分立半导体只是用来实现单一的功能，所以又称为单功能器件。除了功率半导体以外，CCD之类的图像传感器，将图像信号转换为电信号，也属于单功能器件。
在种类如此繁多的半导体器件中，功率半导体到底处于什么样的定位呢?大规模集成电路(LSI)是用来处理信号的，功率半导体是处理电力的。提到电力我们会联想到什么呢?现代人的生活中，电力作为最普遍的能源，是不可缺少的。没有经历过自然灾害的人可能无法体会，但如果有谁经历过因地震、积雪而造成长时间停电，那一定会明白电力在那种时候是多么宝贵。在如今的时代，电力已经和空气、水一样，支持着人类的生命。所以没有功率半导体，就没有我们如今的生活。
六、晶体管构造的差异
这里我们将比较普通晶体管和功率半导体晶体管的基本区别。以MOS晶体管为例进行比较，是最能看出差异的。
普通的 MOS 晶体管
目前市面上常见的硅基半导体人门书籍，都是以 MOS 晶体管为例来写的。MOS晶体管的结构图如下图所示。图中画出了 MOS 晶体管的一个纵剖面，包括三个电极(或称为端子):源极(Source)、漏极(Drain)、栅极(Gate)，都位于硅晶圆的正面。假设电流或者说载流子(Carrier)的流动都限于图中这个范围内。大规模集成电路(LSI)中所用的 MOS 晶体管，主要在数字电路中实现信号转换，在低电压的控制下实现电路的开关操作。下图所示的结构图中，电流是沿着水平方向的沟道(Channel)来流动的。如果要让沟道中的电流变大，只要将沟道向垂直于纸面的深处扩展，使载流子的通道变宽就可以了。就像在车道上行驶，车道越宽，允许通过的车流量就越大。
器件隔离区:为了让相邻的器件之间不互相影响，在这里设置绝缘区域，从而将两个器件分隔开
功率型 MOS 晶体管
与之相比，功率型 MOS 晶体管，或者说功率型 MOSFET（MOSFET:与MOS晶体管意思完全相同。MOSFET更加强调器件的构造，而MOS晶体管强调类别。）的结构就大大不同。最显著的特点是，其漏极的电极是在晶圆的背面形成的，如下图所示。大规模集成电路中的普通 MOSFET只需要实现小信号电流的开关，所以只需要薄薄的一层沟道:而功率型MOSFET，由于需要通过很大的电流，所以必须将晶圆的整个厚度全部当作电流通路来使用。这是两种 MOSFET的差异之一。由此带来的结果是电流的方向也是不同的，普通MOSFET电流是沿着晶圆平面水平流动，功率型MOSFET的电流则是沿着垂直晶圆方向流动。另外，我们在后面还将看到，功率型MOSFET要求在电流流经的路径(也就是晶圆厚度方向)上掺杂浓度均匀，所以用F(悬浮区熔)法得到的硅晶圆来制作功率型MOSFET 是最理想的。
两种类型晶体管的差异
到此为止，我们所列举的差异都总结在下图中。总的来说，大家必须知道，两者基本构成要素是一样的，但具体构造是完全不同的。这些差异也会体现在它们的制造工艺上，这将在后面讨论。
从上向下地看晶体管的构造
常见的硅基半导体人门书籍中，讲述 MOSFET的构造都会采用MOS晶体管和功率型MOSFET那样的图片来表示，也就是从纵剖面来看晶体管的结构。那么从上向下看平面图会是什么情况呢?
我们用下图来表示。普通 MOSFET的结构，如许多书中所讲，就是源极、漏极夹住了中间的栅极。与之相对的，功率型 MOSFET则是这样的结构:极是包围着栅极的对栅极施加电压的时候，其下方的FET(场效应管)进人on(开启)的状态，电流从硅晶圆正面的源极流向背面的漏极。为了方便看清楚，这个图中没有按照实际比例来画图。实际上用于逻辑运算的普通 MOS 晶体管肯定比功率型 MOS 晶体管小很多。
另外补充一个知识点，晶体管中电流的大小与沟道宽度成正比，与沟道长度成反比。
参考文献：
1.[美]B.Jayant Baliga 著，韩郑生 陆江宋李梅等译，功率半导体器件基础，电子工业出版社；2.【日】佐藤淳一，曹梦译，图解入门-功率半导体基础与工艺精讲（原书第2版），机械工业出版社；；3.余盛，芯片战争，华中科技大学出版社。4.微信~半导体封装工程师之家：一文看懂功率半导体-IGBT内容来源：爱蛙科技编辑整理
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