功率半導(dǎo)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(guān)”的作用。放大是指將低頻功率變?yōu)楦哳l功率，開關(guān)是指切換電路的開與關(guān)。

充分利用放大作用，就可以使用小功率驅(qū)動馬達。切換電路開與關(guān)的開關(guān)速度越快，越能實現(xiàn)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(dǎo)體，利用輸入電流控制擴大和開關(guān)。雖然放大率高，適合處理較大電流，但也存在開關(guān)速度慢的缺點。

其次，功率MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）是利用輸入電壓控制動作。耗電量較小，能夠?qū)崿F(xiàn)高速開關(guān)。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(dǎo)體元件（芯片）上集成雙極晶體管和MOSFET而構(gòu)成。不僅耗電量小，能夠處理大電流。而且可以實現(xiàn)高速開關(guān)。

通過大型化降低成本

用來提高功率半導(dǎo)體能量利用效率的是使用新材料的新一代產(chǎn)品。其中有望成為主流的是使用碳化硅的產(chǎn)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(fā)的功率損耗。與硅制產(chǎn)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(fā)SiC功率半導(dǎo)體。2010年，該公司使用SiC功率半導(dǎo)體，在全球率先上市了變頻空調(diào)。2012年，東京地鐵銀座線的部分車輛也采用了該公司的產(chǎn)品。與過去相比，車輛系統(tǒng)節(jié)能高達38.6％。

現(xiàn)在，阻礙普及的因素在于成本。碳化硅結(jié)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(fā)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(shù)量減少，從而可以降低成本。

機床的驅(qū)動馬達等使用的工業(yè)用IGBT模塊。照片為三菱電機的產(chǎn)品。

作為功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的后起之秀，羅姆也在1990年代著手開發(fā)使用碳化硅的產(chǎn)品。并于2009年收購了德國的碳化硅晶圓企業(yè)SiCrystal，由此，建立起了從碳化硅晶圓到模塊的一條龍開發(fā)、制造體制。

2013年，羅姆開始使用碳化硅量產(chǎn)大口徑的6英寸晶圓。1枚晶圓可以切割的芯片數(shù)量是過去的兩倍，提高了生產(chǎn)效率。該公司把功率半導(dǎo)體視為增長的動力之一。碳化硅則是功率半導(dǎo)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(yōu)點可舉：比硅更耐受高電壓，可以縮短電極之間的距離；發(fā)熱少，耗電量也小；開關(guān)速度高于碳化硅，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，只適用于家電等輸出功率較低的電器。

功率半導(dǎo)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(dǎo)體發(fā)布新聞稱，該公司與美國Transphorm公司整合了氮化鎵功率半導(dǎo)體業(yè)務(wù)，社會為之沸然。富士通的研發(fā)團隊和知識產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)移到Transphorm，富士通半導(dǎo)體則轉(zhuǎn)變體制，專門承接制造和銷售業(yè)務(wù)。這在實質(zhì)上是業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)讓。

富士通半導(dǎo)體功率器件業(yè)務(wù)部長淺井祥守說：“我們覺得，大批的量產(chǎn)訂單即將到來，現(xiàn)在正是作出決斷的時機�！�

富士經(jīng)濟表示，到2020年，新一代功率半導(dǎo)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(yù)計將是全面普及的時期，企業(yè)之間的合縱連橫作戰(zhàn)如今已經(jīng)打響。（作者：外薗 祐理子，日經(jīng)技術(shù)在線！供稿）