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功率半导体器件的设计和制造

功率半导体器件是一种用于功率电子系统中的重要元件。它的

设计和制造是功率电子技术发展的重要方向之一。本文将从功率

半导体器件的基础原理、设计方法和制造流程等方面探讨其重要

性及其发展现状。

一、功率半导体器件的基础原理

功率半导体器件主要包括晶闸管、MOSFET、IGBT、GTO等

多个种类，但它们的基础原理具有相似性。以MOSFET为例，其

基本结构由源极、漏极和栅极三个部分组成，其工作原理如图1

所示。

图1MOSFET工作原理示意图

当栅极电压为零时，由于PN结的存在，漏极处形成了一个正

的堆积区。当VGSVT时，栅结的正偏压会使得漏极处形成一个

反向耗尽区，此时漏极电流为零。当VDS逐渐增加，源漏电压

Va=VGS-VDS，当Va等于MOSFET的阈值电压VT时，a-c段的

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原点被命名为饱和电压，此时为饱和状态，当VDS继续增大时，

漏极电流也逐渐增大，进入了放大区。

由此可见，功率半导体器件的基础原理就是根据不同类型的元

件，采取不同的物理机制来控制电流的导通与封锁。

二、功率半导体器件的设计方法

功率半导体器件的设计方法主要基于电路应用的要求，而设计

方法的主要目的是要满足功率电子应用中需要的高电压、高电流

和高速开关等特殊需求。具体来说，功率半导体器件的设计方法

包括以下几个方面：

1、材料选择和元件设计

功率半导体器件的材料选择和元件设计在很大程度上决定了其

特性和性能。其中，材料的选择包括基底材料和陶瓷材料等，元

件设计则包括晶体管结构设计、模型设计等。

2、模拟和数值模拟

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模拟和数值模拟是功率半导体器件设计的重要工具。模拟主要

用于确定元件的结构和特性，数值模拟则用于确定元件的尺寸和

参数等，以优化元件的性能。

3、电子设计自动化工具

电子设计自动化工具主要是应用计算机来进行元件的设计和优

化。这种方法既能加速设计过程，又能提高设计的准确性和可靠

性。

三、功率半导体器件的制造流程

功率半导体器件的制造流程是基于通用半导体工艺加工而成的。

其主要流程包括晶圆制备、掩模制作、沉积、光刻、蚀刻、清洗

和后加工等多个环节。下面我们简要地介绍一下具体流程。

1、晶圆制备

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晶圆制备是功率半导体器件制造的第一步。晶圆材料需要经过

取样、切片、抛光、清洗等工序预备。

2、掩模制作

掩模制作是实现功率半导体器件工艺的重要步骤之一，其目的

是使晶圆上的颗粒在阳极、硝酸等化学物品影响的过程中进行精

细分解。

3、沉积

沉积是通过化学和物理手段使一些膜的元素凝聚在沉积物上，

包括热氧化工艺和CVD等多种方法，可以获得厚度均匀且性能稳

定的硅层。

4、光刻

光刻是指通过使用掩模，将需要保留的区域暴露在光源下，形

成不同结构的光刻层，作为记忆体射线的图案成型。

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5、蚀刻

蚀刻是将暴露在光刻层的颗粒部分导入消离或汞等化学物品，