器。用于实现大功率直流/交流变换之后驱动电动机，还可用于捕获再生制动能量并回馈给电池组，是新能源汽车的“心脏”，决定了汽车的功能安全性，高速平稳性和绿色舒适性。

　　由于新能源汽车对续航里程的高需求，使得电能管理需求更精细化，这些对绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transister,IGBT)、MOSFET二极管等功率分立器件的需求远高于传统汽车，在新能源汽车率半导体占了整车半导体的55%左右。

　　功率半导体器件作为电能转换、驱动、控制等电力电子装置的基础和核心，是推动电力电子系统转化效率、功率密度、体积重量等方面优化的关键因素之一。

　　下面来看看功率半导体IGBT的分布，其中红色为后置发动机，绿色为前置发动机。机舱地板下方是四个电池组。逆变器(蓝色)集成在电机外壳中，并与其共享冷却回路。逆变器将电池的直流电转换为电机交流电，也是IGBT模组安装的地方。

　　1946年1月，远在太平洋彼岸的美国BELL实验室正式成立了一个半导体研究小组，小组内有3名核心成员，分别是Schokley、Bardeen和Brattain，俗称“晶体管三剑客”。

　　三剑客有自己的研究优势，Bardeen提出了表面态理论，Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验。

　　在三剑客成立的次年，1947年巴丁(Bardeen)和布莱登(Brattain)发明了点接触(point‒contact)晶体管。接着在1949年肖克莱(Shockley)发表了关于p‒n结和双极型晶体管的经典论文。有史以来的第一个晶体管中，在三角形石英晶体底部的两个点接触是由相隔50μm的金箔线压到半导体表面做成的，所用的半导体材料为锗；当一个接触正偏(forward biased，即对于第三个端点加正电压)，而另一个接触反偏(reverse biased)时，可以观察到把输入信号放大的晶体管行为(transistoraction)。

　　既然说IGBT集成BJT和MOSFET的优点于一身，那么什么是BJT，什么是MOSFET呢？

　　半导体应用离不开硅元素，来看一下硅元素的特点，在元素周期表中，硅排列在第14位，硅原子最外层有4个电子，分别与周围4个原子共用4对电子，这种共用电子对的结构称为共价键(covalent bonding)。每个电子对组成一个共价键。这部分知识初中化学学过，来张图片直观看看：

　　左边这张图是单晶硅的晶体结构，为金刚石晶体结构。右边这张图是硅原子共用电子的情况，中间一个硅原子和四个硅兄弟共用电子。

　　突然有一天，物理学家想到一个问题，要是硅家不是和硅兄弟共用电子，把其他兄弟拉进群会怎样？物理学家有一天把砷兄拉进了群，于是奇迹发生了：

　　砷兄弟最外层有5个电子，其中4个电子找到了硅家的对象，另外一个电子单着了，这个电子成了无业游民，到处流窜，由于电子带有电荷，于是改变了硅家的导电性。此时的砷原子多提供了一个电子给硅家，因此砷原子被称为施主。

　　硅家的自由电子多了以后，带负电的载流子增加，硅变成n型半导体。为啥叫N型？在英文里Negative代表负，取这个单词的第一个字母，就是N。 同样，物理学家想，既然可以拉电子多的砷元素进群，那么是否也可以拉电子少的硼原子进群？于是物理学家把硼原子拉进来试试。

　　由于硼原子最外层只有3个电子，比硅少一个，于是本来2对电子的共价键现在成了只有一对电子，多了一个空位，成了带正电的空穴(hole)。此时的硅基半导体被称为p型半导体，同样P来自英文单词Positive(正极)的首字母，而硼原子则被称为受主。

　　举个例子，P型半导体是一块正方形的泥巴，这个泥巴里有很多孔洞（空穴），类似于我们看到的龙虾洞。N型半导体也是一块正方形的泥巴，这个泥巴中藏了很多龙虾（自由电子）。当我们把这两块泥巴贴在一起的时候，龙虾就会往龙虾洞的方向爬（电子漂移）。在电子的漂移下，PN结中形成电流。

　　再说一说晶体管的功能，晶体管(transistor，是转换电阻transfer resistor的缩写)是一个多重结的半导体器件。通常晶体管会与其他电路器件整合在一起，以获得电压、电流或是信号功率增益。

　　在电路中晶体管的主要作用是当作开关。可利用小的基极电流在极短时间内改变集电极电流由关(off)成为开(on)(反之亦然)。关是高电压低电流，开是低电压高电流。

　　双极型晶体管(bipolar transistor)的结构：双极型器件是一种电子与空穴皆参与导通过程的半导体器件，由两个相邻的耦合p‒n结所组成，其结构可为p‒n‒p或n-p-n的形式。

　　下图为p‒n‒p双极型晶体管的透视图，其制造过程是以p型半导体为衬底，利用热扩散的原理在p型衬底上形成一n型区，再在此n型区上以热扩散形成一高浓度的p＋型区，接着以金属覆盖p＋、n以及下方的p型区形成欧姆接触。

　　下图为p‒n‒p双极型晶体管，具有三段不同掺杂浓度的区域，形成两个p‒n结。浓度最高的p＋区称为发射区(emitter，以E表示)；中间较窄的n型区域，其杂质浓度中等，称为基区(base，用B表示)，基区的宽度需远小于少数载流子的扩散长度；浓度最小的p型区域称为集电区(collector，用C表示)。各区域内的浓度假设均匀分布，p‒n结的概念可直接应用在晶体管内的结上。

　　了解了BJT后，再来了解下MOSFET的定义。先了解MOSFET的前半部分，也就是MOS器件。

　　金属‒氧化物‒半导体(MOS)电容在半导体器件中占有重要的地位，它是研究半导体表面特性最有用的器件之一，它也是先进集成电路中最重要的MOSFET器件的枢纽。

　　理想MOS电容：MOS电容的透视结构如下图所示，为其剖面结构，其中d为氧化层厚度，而V为施加于金属平板上的电压。当金属平板相对于欧姆接触为正偏压时，V为正值；而当金属平板相对于欧姆接触为负偏压时，V为负值。

　　n沟道MOSFET如下图，它是一个四端点器件，由一个有两个n+区域(即源极与漏极)的p型半导体组成。对于p沟道MOSFET，衬底和源、漏区的掺杂类型分别为n和p+。

　　氧化层上的金属称栅极(gate)，高掺杂或结合金属硅化物如WSi2的多晶硅可作栅电极，第四个端点为连接至衬底的欧姆接触。

　　基本器件参数有沟道长度L(两个n+‒p结间的距离)、沟道宽度Z、氧化层厚度d、结深度rj以及衬底掺杂浓度NA。器件中央即为MOS电容。

　　MOSFET的基本特性：MOSFET中源极接点作为电压参考点。栅极无外加偏压时，源极到漏极电极间可视为两个背靠背相接的p‒n结，而由源极流向漏极的电流只有反向漏电流。

　　这些定义读起来有些绕口，总体功能类似与一个水龙头开关，可以控制水流流向及大小，在内部结构上，可以通过下图来看MOSFET、BJT及IGBT内部结构差异：

　　对其中一款IGBT模块进行拆解，IGBT模块内部结构如下图所示，在制造过程中主要可以分为两部分，一部分是IGBT芯片的封装及测试，另一部分是IGBT芯片的设计及制造:

　　(2)直接敷铜陶瓷基板(DirectCopperBonded，DCB)：包括上铜层、陶瓷基板层和下铜层三个部分。上铜层的正面根据需求刻蚀成了电路，可以为IGBT芯片的集电极、发射极和栅极等电极提供中转以及互连。陶瓷基板层常采用氧化铝或者氮化铝材料制成，它主要是为芯片和其下部的结构层提供绝缘，同时为芯片和上铜层提供支撑和散热。下铜层的主要作用是为各个芯片提供散热路径。

　　(4)焊料层：主要起到了连通芯片、直接敷铜陶瓷基板的上铜层、直接敷铜陶瓷基板的下铜层和铜基板的作用。

　　(5)Al键合线：通常采用多根并联的方式，键合线一端键合于芯片上，另一端键合于直接敷铜陶瓷基板的上铜层。Al键合线的主要作用是实现芯片与外部连接端子之间的互连。

　　(6)Al金属化层：具有延展性好，导电性能优等特点，促成了IGBT芯片与Al引线)外部连接端子：包括发射极母排和集电极母排，它们一端跨接在直接敷铜陶瓷基板的上铜层，另一端裸露于器件外部，主要实现IGBT芯片与外部电路的互连。

　　(9)外壳：包括由环氧树脂制成的侧框和上部的管盖，可以保护IGBT模块内部的互连结构层免受外部环境的影响。

　　的外观及截面如下图所示，其中上铜层布置功率半导体/二极管芯片/键合线等电气部分，由DBC提供电路布局、绝缘、传热、机械支撑等功能，散热基板向上支撑衬。