摘要
本文从什么是高温半导体？为什么要用高温半导体？怎样运用高温半导体？这些根本问题着手，经过直接介绍半导体器材的牢靠性原理，阐明高温半导体器材在要害运用中的寿数核算模型，然后提出对提高和确保航天、航空、石油、高铁、电动轿车、清洁动力等等其他工业范畴运用适当重要的高温半导体器材运用形式，以及未来相关工业展开主张。
温度其实便是半导体器材的命门。 根据硅资料的半导体结在高温下自身便是不作业的。详细地讲，一般情况下，跟着温度的升高，由于热效应天然发生电子空穴对，硅基的本征载流子浓度不断升高， 由此半导体结作业的最为重要的掺杂载流子浓度遭到抵抗，半导体结的功能则不断下降。一般在70摄氏度时开端体现非常显着，到150-200摄氏度时简直停止作业， 由于此刻硅基是彻底导电的状况。这一效应常常被称为半导体的温度载流子效应。别的，半导体器材中最为重要的结构是PN结势垒，它是构成MOSFET的根底。但是，当温度升高到150-200度之间时，本征载流子浓度升高的程度已使该PN结势垒消失而导致半导体功能溃散，这常常被称为半导体的结温效应。
根据硅基半导体资料的温度约束，职业中将消费电子器材一般定标在最高70摄氏度，工业电子定标在最高85摄氏度，而军用电子定标在最高125摄氏度。但是，跟着工业运用的不断拓宽的需求，国际上的半导体专家现已一直在不断地应战这一极限。对耐高温器材的整体需求体现在两个重要方面，第一是运用环境自身便是高温环境，例如航天中遇到的外星球环境（例如月球白日外表温度为127摄氏度），石油中的深度地层环境（超越7000米的地层，可能会到达150、 175乃至200摄氏度以上），许多使命业运用中的发动机和电动机周围（如飞机、火车、船只和电动轿车等）。第二，电力电子自身发热所形成的高温。一切电力电子都会发热，包含MOSFET、电源模块及驱动模块等等。由于电力电子器材自身发热使其作业温度升高，就会使器材的寿数大为缩短。面对这一难题，一般的解决方法是附设冷却体系，这样又会带来牢靠性的问题，由于这样使冷却体系的牢靠性来决议了电力电子体系的牢靠性，当然这也是没有方法时的方法。但在某些特别情况下，当咱们无法装置和装备冷却体系时，电力电子自身发热就成为了丧命的难题。
由于半导体器材是经过掺杂的物理化学工艺制造而成的，其作业温度和作业寿数即成为了关乎其牢靠性的且彼此相关的要素。一般作业温度越高，则作业寿数则越短，反映这一半导体温度寿数联系的曲线便是Arrhenius 曲线或模型（见下图）。
传统硅基半导体的温度寿数曲线在两条五颜六色线规模。很显着，当温度升到100摄氏度后，其寿数（对数坐标）敏捷缩短（载流子效应或称为迁移率效应），挨近150-200摄氏度时寿数急剧下降（结温效应导致锁闭/溃散）。根据这一机制，为了确保在某一温度下的寿数，咱们一般进行加快老化试验，即人为地升温到某一较高温度下测验若干小时，然后经过Arrhenius 公式来折算其作业温度下的确保寿数。但是，对一般的硅基半导体器材而言，当运用作业温度超越125摄氏度时，再升高温度就会在很短时间使器材损坏，因而处于无法确保作业寿数的窘境。
传统硅基半导体所面对的高温窘境在航天范畴体现得最为杰出。由于航天项目的高额本钱，以及简直无法保护和检修的特色，以至于航天器对高牢靠性的寻求到达了极致。对外层空间飞翔的航天器来说，由于一般在 -195摄氏度太空布景温度下作业，电力电子的发热一般能很快经过热辐射方法散掉，温度或许还不是很严峻的问题。但关于着陆型航天器而言，外星球的温度或许会很高（例如月球外表白日的温度可达127摄氏度），对外辐射制冷已根本失效，而又或许外星球上没有空气和水来进行风冷和水冷，这样在简直无制冷机制的情况下，电力电子器材自身的发热就会使器材的作业温度不断上升至175、200摄氏度乃至更高，然后加快了器材的老化、缩短了其作业寿数。
更特别值得一提的是，当咱们对传统硅基半导体器材进行选件时，由于器材自身温度功能的约束，咱们一般只要求测验到125/150摄氏度1000小时罢了。这即为牢靠性问题埋下很大的危险，一方面，假如由于器材自身发热使实践作业温度可能会高出125/150摄氏度, 这样可确保的寿数就会从1000小时缩短到几百小时；另一方面，所测寿数1000小时也仅仅一个平均值罢了，对单个器材而言或许会或左或右违背该值，左偏的成果便是寿数只要几百小时。由于短板效应，整个体系的牢靠性取决于其最为单薄的器材的牢靠性，而传统硅基半导体温度功能的约束又使得规划冗余严峻不行， 这样可能会导致体系的实践牢靠性低于规划目标。因而，航天范畴一直在竭力寻求最高牢靠耐高温半导体器材，其确保牢靠性的选件目标已不再是125/150 摄氏度1000小时了， 而是如上图所示的全温度寿数曲线。
Cissoid 公司根据SOI的硅基半导体技能在某种程度上突破了半导体器材的温度窘境，其接连作业温度寿数曲线（如图黑线）可达175摄氏度 15年、225 摄氏度 5 年、250 摄氏度2.5 年、280摄氏度 1.3年等等，并且显着地回避了载流子效应和结温效应的影响。因而，Cissoid 公司的高温半导体器材长时间以来被运用于航天范畴，也是美国宇航局（NASA）航天项目的选件。
由于在空中一般无法进行保护和检修，并且假如在空中呈现毛病所导致的成果很有可能是灾难性的，因而航空范畴对高温半导体器材的需求也类似于航天，除发动机周边的高温环境外，其对电力电子器材的牢靠性要求也很高（如175摄氏度 15年），这样才干确保其电力电子（MOSFET、电源模块和驱动模块等）能接受器材自身发热导致的高温，并且还要能到达超越10年以上的寿数。
高温半导体器材的另一个严重运用范畴是石油和天然气的勘探、测验及挖掘作业。一般井钻得越深，温度就越高，过7000米后，175乃至200摄氏度都是常见的事。随钻的测验和操控设备、长时间监测的设备、以及井下的出产设备对牢靠性要求都很高，由于这些设备的毛病所导致的本钱添加是惊人的，尤其是在海上钻井勘探和作业时更为显着。
高温半导体器材在清洁动力、高铁及电动轿车等工业范畴也有许多很好的运用。谈及高温半导体器材，许多人天然会想到碳化硅。碳化硅器材的片芯耐受温度可达400-600摄氏度，并且开关频率很高，因而日趋替代IGBT成为下一代功率半导体器材。碳化硅器材本领高温，但假如其周围的驱动器材仍选用传统的硅基器材而不本领高温的话，则仍旧需求冷却体系的支撑，这样碳化硅的高温功能就不能得以发挥。只要选用高温器材作为碳化硅开关的驱动器材，其耐高温特性才干得以发挥，即可减小乃至去除对冷却体系的需求。因而，跟着碳化硅器材的广泛运用，对高温半导体器材的需求也会随之大大添加。
高温半导体/电子技能包含高温半导体片芯工艺、封装工艺、焊接和拼装工艺等各个方面，以及高温器材在不同体系中的运用。国内涵这些方面都极端单薄，乃至高温半导体的研究课题都很少见到，更不用说商用产品的开发了。本年5月13-15日在美国举行了高温电子国际会议（HiTEC 2014），但都是美国和欧洲的各公司及研究机构在活跃参与，还未见到有任何国内公司和研究机构参与，国内涵该范畴的单薄就可见一斑了。因而，作者呼吁国家在该范畴多点立项展开根底研究，一起鼓舞企业开发高温半导体产品和运用解决方案，以带动整个高温电子工业链。一起主张我国半导体协会等职业安排建立高温电子分会，举行国内和国际性的高温半导体/电子技能研讨会等等，经过鼓舞业界活跃与国外同行沟通，以推进国内整个高温半导体/电子职业的展开。
