解密雷电力量的富兰克林

今天掌控雷电的故事就是富兰克林说起。

富兰克林.本杰明不仅是个杰出政治家，他在物理学上也有颇多贡献。富兰克林曾经进行多项关于电的实验，并且发明了避雷针，最早提出电荷守恒定律。法国经济学家杜尔哥价说：“他从苍天那里取得了雷电，从暴君那里取得了民权。

人类对电的关注其实早在2500多年前就开始。古希腊人就发现，用毛皮摩擦琥珀后，琥珀能吸引一些微小物品，如果摩擦够久，还有可能出现火花，这其实就是现在人们所熟知的静电现象。真正把“电”造福人类的是伟大的科学家法拉弟，他提出了著名的法拉第电磁感应现象，并发明了人类的首台发电机，被誉为“电学之父”，同时法拉第在实验中发现了硫化银随着温度变化呈现相反电阻率变化，与金属升温增加电阻率的特性截然不同，这也是半导体现象的首次被发现。

在物理学中，“电”有正电荷与负电荷之分，当电荷移动时就会形成电流，比如在导线中的电流，就是带负电荷的电子定向移动。古希腊人发现用毛皮摩擦琥珀后，琥珀就能吸引微小物品，这是因为摩擦后的琥珀带了负电荷。

但是古人无法正确理解其中的原理，并认为琥珀当中带有神力，在古希腊文当中，“琥珀” 与“电”都是同一单词，其实现代英文单词当中的电（electric），也是由单词琥珀（elektro）演变而来。

但是人们一直想知道摩擦起的静电和天上的雷电到底是不是同一会事，富兰克林也深入其中。

在18世纪中叶的时候，有一位叫做思朋斯医生的杂耍艺人，曾经在一个“电吻”的节目中，利用电容器的原理，让接吻的两人在瞬间爆发出火花。正是这个称为莱顿罐的装置引起了富兰克林的极大兴趣，在此后的时间里，富兰克林把全部的时间都倾注到了电的研究上。

富兰克林的研究中认为电荷有正负之分，并鉴定区分了导体和及绝缘体。他认为闪电是一种电现象。并且在《电的实验与观察》一书中，富兰克林富有想象性要验证闪电与电是没有区别的，并且列举了验证的试验方法，就是在一个很高的建筑物顶端，当人手持一根7 米左右长度的铁杆，在云层足够低的情况下，云层中的电荷就会通过铁杆引到这个人的身体上，发出火花。

1752年，富兰克林做了著名的风筝实验，证明打雷时候的闪电也是一种放电现象。


著名的“风筝实验”

富兰克林的这个论断引起了其他科学家们的关注，其中法国人托马斯弗朗索瓦狄阿里巴月在1752年5月10日，就亲自体验成功了，后来经过多位科学家的实验也证明了富兰克林的论断正确性。因此在欧洲的科学界，富兰克林成了一位出名的人物。

而且他并非只靠一个雷雨天的风筝实验，而是一系列在电学理论上的有着颇多贡献和结论。包括确定了电的单向流动特性，并且提出了电流的概念；合理地解释了摩擦生电的现象；提出电量守恒定律；定义了我们今天所说的正电和负电等等。

从上面的成就，以及如今高大建筑上布满的避雷针和避雷设施可以看出，富兰克林作为科学家真不是浪得虚名，他在电学方面的研究确实为后世学者的研究积累不少前期宝贵的经验，为人类对电的研究和利用，推开了一扇大门。

因此富兰克林被称为“解开雷电奥秘的第一人”。

掌控雷电力量，人类推开新世纪的大门

18世纪80年代，意大利科学家伽尔瓦尼在解剖青蛙时，发现两种不同的金属接触到青蛙会产生微弱的电流。这是人类第一次发现了流动的电，这种流电为制造电池创造了可能。但是，伽伐尼以为这是来自青蛙体内的生物电。而意大利物理学家伏打知道这件事情后，意识到这可能是因为两种不同的金属有电势差，因此产生了流动，而青蛙的作用相当于今天我们说的电解质。


于是，在1800年，伏打用盐水代替青蛙，将铜和锌两种不同的金属放到盐水中，就产生了电流。当然铜和锌之间的电势差只有0.7伏左右，非常弱，于是伏打将6个这样的单元串联在一起，就获得了超过4伏电压的电池。有了电池，电学的研究就得以不断取得重大的突破。

当时的意大利正在拿破仑的控制之下，拿破仑在得知伏打的发明后，专门在巴黎接见了他，册封他为伯爵，而且给了他一大笔奖金。后来人们用他的名字作为电压的单位——伏特！单位符号是大写的V，以纪念这位伟大的科学家。（因为Volta是意大利语，变成英语音译成中文读音为伏特）。


电池的发明除了在科研和生活中有实际的用途，其实还证实了一件事，就是能量是可以相互转化的，当然在伏打的年代大家还不知道这个道理。

有了电池后，科学家们得以将电学的原理搞得很清楚了，接下来就是如何利用电能的问题了。这是电学史上第三个伟大瞬间，人们要真正动手改造和利用电了。

利用电能涉及到两大发明：发电机和电动机——发电机将其他能源转变成电能，电动机将电能转变成机械能推动机器。而这两种机器工作的基本原理，都是建立在电磁学理论之上的。因此，发电机和电动机都是在搞清楚了电磁原理之后发明的。

电和磁的关系，是被丹麦物理学家汉斯·奥斯特偶然发现的，1820年，他在给学生上完课收拾仪器时，无意间发现了通电导线旁边的磁针会改变方向，并且因此发现了电流的磁效应，这成为了后来电动机的工作原理。

把电磁关系的研究推向高潮的是法拉第，他的研究成果是发现了磁生电现象，这就为发电机的出现提供了可能。但遗憾的是，天才的法拉第没有受过高等教育，数学很差，没办法把自己的理论继续推进。他的实验成果后来被麦克斯韦应用，从而建立起了现代的电磁学理论。

在电学和磁学方面，理论的大厦最终是由英国著名科学家麦克斯韦完成的。如果要问英国在牛顿之后第二个伟大的科学家是谁，恐怕要数麦克斯韦了。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831年6月13日1879年11月5日），出生于苏格兰爱丁堡，英国物理学家、数学家。经典电动力学的创始人，统计物理学的奠基人之一。


1873年，麦克斯韦完成科学巨作《电磁通论》，统一了光、电、磁的基础理论，精髓就是我们现在所熟知的麦克斯韦方程。《电磁通论》全面总结19世纪中叶以前对电磁学的研究成果，建立了完整的电磁理论体系。这是一部可与牛顿的《自然哲学的数学原理》、达尔文的《物种起源》、爱因斯坦《统一场论》相媲美的里程碑式的不朽名著，是电与磁的大一统理论。


在麦克斯韦之前，电和磁之间的奇妙关系已经被科学家所发现，如奥斯特发现了电流的磁效应现象；法拉第发现了电磁感应现象，利用这个原理，法拉第做出人类第一个电动机，是现在电动机的祖先；安倍发现电流和磁场之间的方向关系，也就是著名的右手螺旋定则——安倍定制；

高斯定律、高斯磁定律、法拉第磁感定律、安倍环路定律等分别解释了磁场、电场和磁电相生，最后麦克斯韦亲手补上安倍环路定律最后的空缺。至此电磁学大厦基石理论全部补齐，麦克斯韦理论通过四个方程组，精简而又完美诠释了电场和磁场之间的关系，统一了电磁学。

最初在《电磁通论》里麦克斯韦列了8组20个方程，这种复杂性让那个年代的物理学家很崩溃，不知道如何设计电路检验麦克斯韦的理论。赫维赛德在1880年的一篇论文中首次采用了矢量微积分形式的麦克斯韦方程，他抛弃了恼人的四元数，将方程数目一下子削减到4个，并且展现了惊人的对称性，于是就变成我们现在所熟知的麦克斯韦方程组。


由赫维赛德精简重构后成为麦克斯韦方程组的积分形式和微分形式一共2组，8个公式，现在教科书都是用他改写后的麦克斯韦公式，不过现在提都不提这位老哥，提起麦克斯韦方程组都没他什么事，笔者要为他正名一下。

站在赫维赛德举高的手掌上，我们才听到麦克斯韦告诉我们，电磁波的传播是电场和磁场互相激荡！而光也是电磁波的一种！


电学成就的第四个高光时刻，就是它的普及和应用。这个工作，其实是由德国和美国一批真正来自工业界，并且能够看到电的应用前景的发明家完成的。这些人认识到电是一种能量，并将它和产业革命联系起来了。


1832年，法国人毕克西发明了手摇式直流发电机。

世界上第一台真正能够工作的交流发电机是由德国的发明家、商业巨子西门子设计的。和之前的发明家不同，西门子本身就是一个企业家，他搞发明更多地是为了应用。

1866年，西门子受到法拉第研究工作的启发，发明了交流发电机，随后就由他自己的公司制造了。从此人类又能够利用一种新的能量——电能，并且由此进入了电力时代。

1891年，美国著名发明家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla，1856—1943）所在的西屋电气公司利用他所发明的多相交流发电机开始为全美国提供照明和动力用电。

至此，以电力为主的第二次工业革命开始，人类开始进入全新电气时代。

人类解密并掌握电的力量，仅仅是最近200多年的事，这也恰恰是世界经济飞速发展的200多年。电，这种大自然最神秘的能量被人们所掌握，不仅成为当年最重要的能源，更是变成计算机信息时代灵魂，彻底改变了人类的历史进程。可以说，直到现在，电都是整个现代生活的核心，我们无法想象离开电的生活会变成什么样，一旦断电，整个现代社会基本就全乱套了。

所以在掌控雷电力量的道路上，富兰克林、伏打、安倍、高斯、法拉第、奥斯特、麦克斯韦、特斯拉等一批又一批的伟大科学家们功不可没！

爱迪生VS特斯拉的交直流之争

在18世纪的时候，科学家们还认为电和磁是风马牛不相及的两种物理现象。直到奥斯特、法拉第、安倍、麦克斯韦等科学家解密电和磁的关系后，人们意识到电能和磁能可以相互转化，这也为后来的电动机和发电机的大规模应用奠定了基础，人类则因这些发明创造从此迈入电气时代。

发电机和电动机有了，接下来的问题就是输送电的问题了。于是在19世纪，大发明家爱迪生发明了直流电，并且一直是直流电的坚定的推广者。

1882年爱迪生电气照明公司在伦敦建立第一座发电站，安装了三台110伏的“巨汉”号直流发电机，这种发电机可以为1500个16瓦的白炽灯供电并点亮，从此电能照明时代走进千家万户。

随着社会对电力需求急剧增大，问题也就来了。用于用户电压不能太高，要增加输出功率，就要加大电流，电流一大，输电线发热就急剧增加，损失功率越多，这使得远端用户得到的电压还很低，而且输电线因为高温极容易引发各种火灾事故。直流电的弊端极大的影响了电力的应用。

这一切被尼古拉.特斯拉看在眼里，他是交流电的推广者，曾经试图说服爱迪生，他建议使用交流电来输电。交流电机比直流电机结构更简单，容易变压，可以简单、经济、可靠地解决提高输电电压的问题。但爱迪生对特斯拉所说的交流电具有诸多好处无动于衷，交流电建议遭到了爱迪生强烈的拒绝！

爱迪生强力打压特斯拉，诋毁交流电，为了阻挠交流电发展，爱迪生除了当众做交流电电死动物实验、发动媒体报道交流电事故，还促成电椅的发明——用交流电执行死刑，他们之间的“交直流大战”从此展开了。

为了减少输电线中电能的损失，只能提高电压。在发电站出厂时把电压升高，到用户端再把电压降下来，这样就能达到输电过程中低损耗的目的，这才能把电能送到更远的距离。在当时，同功率下交流电站设备便宜，造价低廉，升降压方便，比直流电的更容易进行远距离输送电。

虽然爱迪生全力诋毁特斯拉和交流电，但是并不能阻挡交流电输电技术的进步。

1888年，费朗蒂设计的伦敦泰晤士河畔的大型交流电站开始输电，他先将交流点升高到1万伏，到十公里外的市区，再降低到2500伏，再送到各街区的二级变压站，降低为100伏供给用户照明，效果非常好，事实成功的证实了特斯拉的高压交流输电的优越性。从此除英国外，德国，美国也开始大规模应用，并且在全世界迅速推广。

交流电升降压，说起来容易但是做起来难，交直流变化，以及电压变化都需要使用大量专业电子电力转换器件，于是电子电力技术成了核心。


19世纪30年代，美国物理学家约瑟夫·亨利在研究电路控制时利用电磁感应现象发明了继电器。最早的继电器是电磁继电器，它利用电磁铁在通电和断电下磁力产生和消失的现象，来控制高电压高电流的另一电路的开合，它的出现使得电路的远程控制和保护等工作得以顺利进行。

人们可以利用继电器的特点，用一个回路去控制另外一个回路的通断，而且这两个回路是隔离的，安全性比较好。比如使用小电流控制去一个大电流，在利用电的路上，又前进的一步。

于是继电器在电子电力转换领域开始应用，但是继电器也有很大缺点，在当时成本昂贵，效果一般，而且提供的输出功率有限，市场呼唤更好的解决方案。

于是电力史上划时代的产品出现了，电子管横空出世！

划时代的电子管

真空电子管，也叫真空二级管，最早是一种电信号放大器。

1904年，美国科学家约翰.安部罗斯.弗莱明，为自己发明的电子管弗莱明“阀”，申请了专利，这标志这人类历史上第一只电子管诞生，世界迈向了电子时代。


1882年，发明大王爱迪生，为了寻找电灯泡的最佳灯丝材料的时候，做了一个实验，他在真空的灯泡内的碳丝附近放置了一块金属铜箔片，希望它能阻止碳丝蒸发，最终实验结果令人失望，但是实验过程中爱迪生无意中发现一个奇特现象：当电流通过碳丝的时候，在没有连接在电路里的金属薄片中也有电流通过，这就好奇，不在连通的状态下，哪来的电流？在当时，这是一件不可思议的事情，敏感的爱迪生肯定这是一项新的发现，并想到根据这一发现也许可以制成电流计、电压计等实用电器。为此他申请了专利，后来这种现象被称为“爱迪生效应”。

1896年，马可尼无线电报公司成立，马可尼聘请一个叫弗莱明的人当顾问，这个弗莱明曾经担任爱迪生光电公司的技术顾问。弗莱明被要求改进无线电报接收机中的检波器时，他就设想采用爱迪生效应进行检波。弗莱明在真空玻璃管内封装入两个金属片，给阳极板加上高频交变电压后，出现了爱迪生效应，在交流电通过这个装置时被变成了直流电。通过控制栅极电压可以控制电子流量，外加单向单导通，它具有整流和检波两种作用。

弗莱明根据“爱迪生效应”发明了电子管，这就是电子管的由来。


电子管的出现，特别是二极管的整流和检波这两种作用通过特定的组合，可以实现交流电和直流电可以互相转变！

这让人类完成了一件伟大的事情，电，是能够被控制的！！！

驯服“电”这个古怪的精灵之后，人类的科技发展就开始飞速前进。

随后，1907年，美国发明家德福雷斯特，又在弗莱明二极管的基础上，在二极管的灯丝和板极之间巧妙的加了一个栅极板，制成了真空三极管。


当极对灯丝连上电压对阴极加热，激发阴极电子通过栅极打在阳极上。通过这样的电子流，电子管可以将较小的交流电放大成较强的信号，实现信号放大功能。在信号放大的同时，通过控制栅极电流可以控制整个电子流量，因而获得所需的伏安特性。

这就是巧妙的通过小电流控制大电流，实现信号放大的真空三极管。

电子管因为其单向导通性，可以用开关代表0和1，可以完成二进制数字电路的设计，加上三极管，通过一系列电路设计和组合，就可以搭建最简单的运算放大电路！计算机的雏形初现了！

各位不要小看这些简陋的电子管，不光是加减乘除，复杂一点还能解三角函数！

现在国内教科书上都这么写：人类第一台通用电子计算机是1946年2月14日，诞生于美国宾夕法尼亚大学的“ENIAC”号。几乎所有人都这么认为，老师也是这么教的。

No！

其实在“ENIAC”号之前，还有一台更早的电子计算机。

阿塔纳索夫-贝瑞计算机（Atanasoff–Berry Computer），通常简称"ABC计算机"这才是世界上第一台电子数字计算设备。这台计算机在1937年设计，并在1942年成功进行了测试，它功能比较简单，不可编程，但是可以求解线性方程组。然而，在发明者阿塔纳索夫因为二战任务而离开爱荷华周立大学之后，这台计算机的工作就没有继续进行下去。

“ENIAC”诞生后，两者就谁才是“第一台电子计算机”互掐了十多年。

1973年，美国联邦地方法院注销了ENIAC的专利，并得出结论：ENIAC的发明者莫克利从阿塔纳索夫那里继承了电子数学计算机的主要构件思想。因此，“ABC”被认定为世界上第一台计算机，这台计算机在1990年被认定为IEEE里程碑之一。

所以世界上第一台计算机不是“ENIAC”，而是“ABC”！

不过，现在“ENIAC”作为第一台电子计算机的叫法在国内似乎已经改不过来了。

在第二次世界大战中，敌对双方都使用了飞机和火炮，猛烈轰炸对方军事目标。要想打得准，必须精确计算并绘制出"射击图表"。经查表确定炮口的角度，才能使射出去的炮弹正中飞行目标。但是，每一个数都要做几千次的四则运算才能得出来，十几个人用手摇机械计算机算几个月，才能完成一份射击图表，极其费时费力。

这时宾夕法尼亚大学莫尔电机工程学院的莫希利（John Mauchly）于 1942年提出了试制第一台电子计算机的初始设想——“高速电子管计算装置的使用”，期望用电子管代替继电器以提高机器的计算速度。

美国军方得知这一设想，马上拨款大力支持，成立了一个以莫希利、埃克特（John Eckert）为首的研制小组开始研制工作、预算经费为15万美元，这在当时是一笔巨款。

其中，大名鼎鼎的计算机之父约翰·冯·诺伊曼担任项目顾问，他提出了包括运算器、控制器、存储器、输入、输出的“冯·诺伊曼结构”，大大促进了电子技术和计算机的发展。

4年后，在1946年“ENIAC”被制造出来了。这个大家伙用了18000个电子管，占地170平方米，重达30吨，耗电功率约150千瓦，并配备体积庞大的冷却系统，不过这台电子计算机每秒钟可进行5000次运算，这比之前的计算速度快了上千倍，性能极为优越。当时微分机计算60秒射程弹道轨迹需要20小时，而“ENIAC”仅需30秒，当时是破天荒的。

尽管“ENIAC”诞生之时，二战已经结束，盟军早已经胜利，“ENIAC”并没有派上大用场，不过在随后的首枚氢弹的制造过程中，“ENIAC”还是出过一份力的。


占地170平米的庞然大物“ENIAC”

电子管虽然让人类科技前进的一大步，但是电子管本身也有些巨大的问题：电子管体积很大，耗电量大，易发热，因而工作的时间不能太长，这18000个电子管中，万一有几个损坏，要更换它们是件万分痛苦的事。

电子管实在太不稳定，功耗又高，发热有大，所以找到新技术新产品来替换它们是迟早的事，于是一种新技术横空出世，那就是半导体晶体管技术。

时至今日，电子管在电子电气行业的应用早就边缘化，绝大多数功能都被半导体晶体管所替代。不过电子管还有一个用途，在专业的音响发烧友中长盛不衰——胆机。


发烧友们钟爱的“胆机”

胆机有它独特的“胆味”，会使声音温暖耐听，音乐感好，氛围好。所以胆机是音响业界最古老而又经久不衰的长青树，其显著的优点是声音甜美柔和、自然关切，尤其动态范围之大，线性之好，绝非其他器件所能轻易替代。

而那些名贵的胆机，居然要卖到几百万一台，果然是土豪的世界。

Junction，PN结，来自半导体世界的力量！

半导体现象其实早在19世纪上半叶就科学家被发现。

1833年，英国科学家电子学之父法拉第最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属，一般情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低，这是半导体现象的首次发现。

不久，1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏打效应，这是被发现的半导体的第二个特征，利用这个原理人类学做出光伏太阳能发电板，如今遍布全世界，成为人类清洁能源之一。

1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体又一个特有的性质。

半导体的这四个效应，(霍尔效应的余绩──四个伴生效应的发现)虽在1880年以前就先后被发现了，但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。

在1874年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应，也是半导体所特有的第三种特性。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。

前文提到电子管又大又重，不仅发热大，寿命短，且不稳定，比如要更换“ENIAC”几个有问题的电子管，实在是太麻烦了。电子管的弊端越来越明显，迟早要被替代，拿什么替代呢？于是科学家寻找电子管的替代者，最终找到了答案！

来自半导体世界的力量！

“ENIAC”虽然研制成功， 但是在使用过程中暴露了电子管的问题：傻大笨粗。为此，美国贝尔实验室成立了一个固体物理研究小组，试图制造一种能替代电子管的半导体器件。贝尔实验室对半导体材料进行了研究，发现掺杂的半导体整流性能比电子管好，决定集中研究硅、锗等半导体材料，探讨用半导体材料制作放大器件的可能性。

1947年12月，以肖克利为首的半导体研究小组实验发现，在锗片的底面接上电极，在另一面插上细针并通上电流，然后让另一根细针尽量靠近它，并通上微弱的电流，这样就会使原来的电流产生很大的变化。微弱电流少量的变化，会对另外的电流产生很大的影响，这就是“放大”作用。在首次试验时，它能把音频信号放大100倍。这样，第一个晶体管诞生了！


从20世纪50年代起，晶体管开始逐渐替代真空电子管，并最终实现了集成电路和微处理器的大批量生产。1954 年，贝尔实验室开发了第一台晶体管化的计算机TRADIC，使用了大约700个晶体管和1万个锗二极管，每秒钟可以执行100万次逻辑操作，功率仅为100瓦，比“ENIAC”小的多了。1955年，IBM公司开发了包含2000个晶体管的商用计算机，别看现在IBM现在在普通民用领域好像没啥存在感，人家在高科技领域依然有着深厚的功底，3nm的GAA晶体管结构（Gate-All-Around FET）就是IBM的工作组开发的。

肖克利就是大名鼎鼎晶体管之父，晶体管发明人一共有三位除了威廉·肖克利、还有约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿，三人于1956年的共同获得诺贝尔物理学奖！


这三个人是晶体管的共同发明人，不过三个人中最牛逼其实是巴丁博士，这家伙是史无前例的，他分别凭借发明晶体管和超导BCS理论于1956年和1972年两次获得诺贝尔物理学奖，别人拿一次都不得了，这家伙一人拿两次的，前无古人，后无来者！

肖克利早在1939年就开始研究能够将电流放大的固体器件，以便取代真空电子管，后面也确实做出了半导体晶体管，但是真正确定肖克利江湖地位的是他的巨作《半导体的电子和空穴》。


这本《半导体的电子和空穴》深刻的揭示了半导体材料的奥秘，成为半导体世界的基石理论！

初中化学课我们就学过，硅原子外层有4个电子，当硅原子呈现晶体结构时候，所有硅原子两两之间形成共价键，是非常稳定的结构，这种不含任何杂质，且晶格无缺陷的半导体，专业词叫纯净的本征半导体。


硅原子两两之间形成稳定共价键

这种纯净的本征硅材料，如果用于制造芯片的半导体级硅，要求纯度高达9N-12N，也就是99.9999999%-99.9999999999%，世界上最纯净的物质没有之一。光伏级的要求略低，6N足以。

这种高纯度的硅，其实也没有太多的自由载流子，导电性能很差，电阻可以高达每平方厘米2.32万欧姆，这会谈不上什么导电性，随着温度的变化，会有少量的本征激发，但是导电率依然和绝缘体没啥区别。

但是当加入一些其他元素，特别是三价元素硼（B），五价元素磷（P）和砷（As），奇妙的现象就发生了，加入百万分之一的磷原子，其实这会纯度变化并不大，但是电阻率会急剧下降到几欧姆平方厘米的水平，稍加电压，就有电流通过了。（具体有电阻率与掺杂浓度对应表，一查便可知）。

像极了初中物理小实验：高纯水不导电，但是加一勺盐就导电的小试验，因为其中多了不少可以自由移动的氯离子和钠离子。

这就是半导体的奥秘，可掺杂性。

如果在硅中掺入五价元素，比如磷元素和砷元素，此时内部会多出一个电子，此时这个电子就是自由电子能到处跑，一加电压能朝一个方向运动，能出现电流变化，这种半导体就叫N型半导体。


掺入五价元素砷的N型半导体

当加入三价元素硼元素的时候，少了一个电子，这个地方变成空穴，但是空穴也能相对自由移动，也能导电，这种半导体就叫P型半导体。


掺入三价元素硼的P型半导体

一边是多一个电子，一个边是一个空穴，假如把这两种半导体材料接一起会怎么样？多余的电子会去填满空穴，形成一个内电场，电场力方向是从N区到P区。这个内电场力，有点像一个高高的山头，形成之后两边的多子和空穴就过不去了，这个区域叫空间电荷区，保持内部平衡。

在P型和N型接触的地方，会形成一个空间电荷区，从N区到P区形成一个内电场力，就像一个高高的山头挡着，电子是很难跑过去的，因此此时是依然是不导电的状态。

如果此时从P区外部接一个正电压，N区外面接一个负电压，当外部电压超过内电场力的时候，神奇的现象发生了，这东西导通了！

因为在外部电压的作用下，假使和内电场力方向刚好相反，相当于把这个山头给削平了，内电场力消失后，电子又可以欢乐地运动起来，于是就导通了！但是反过来接，外部电压方向和内部内电场力方向一致，山头依然高高的存在，这时候依然是不导通的，但是电压加到足够大的时候就被击穿，又能导通了，于是二极管的伏安特性曲线画出来就是这样的。


换言之，正向接能导通，反向不导通（不超过击穿电压），只能朝一个方向运动，就跟一扇往外面开的单向门似的，只能外边走，反过来门是打不开的，堵着呢！


到这里，如果各位看官到这里能看懂，恭喜你的半导体知识已经打败绝大多数人了，这东西就叫PN结二极管，具有单向导通性！

单向导通性，是不是很眼熟？最早的根据“爱迪生效应”发明的真空电子管，不就是这玩意儿么！对，本质是一样的，半导体二极管的诞生就开始全面替代电子管了。

相比之下，半导体晶体管消耗的功率是电子管的百万分之一，而且体积更小，可靠性更高，最关键的是，这个东西能在同一个硅片上复制成百上千个，这样单个晶体管的成本就会大大降低！后面还有个大佬还给这个行业规律做了个定义：每过十八个月同一面积内晶体管数量翻倍，但是价格不变，换言之单个晶体管的成本降低了一半。

是不是很眼熟？对了，这就是大名鼎鼎的“摩尔定律”。

肖克利对于自由电子和空穴的形成以及伏安特性的研究，奠定了后世半导体技术发展基础。

半导体PN二极管的出现，开始全面替代真空电子管。作为开关，晶体管比电子管更快、更小，为电脑的微型化奠定了基础，又让人类前进一大步，诺奖给这三位大神，没毛病！

不过可惜的是，肖克利虽然是个技术大牛，但是脾气不太好，爱出风头，用现在的话来讲是就是情商低，老是得罪人，最终三个人闹的不欢而散。甚至到最后自己的徒子徒孙们也日益不满，八个年轻人出去自立门户，搞了个新公司叫仙童（Fairchild），肖克利得知后气得大骂：“你们这群叛徒！”，闹的满城风雨。

这八个人就是赫赫有名的硅谷“仙童八叛徒”的故事。仙童在半导体历史上最具传奇色彩的公司，从这里走出了无数半导体传奇人物，包括英特尔的创始人诺伊斯和戈登摩尔，AMD的创始人桑德斯，国家半导体的查理·史波克和皮埃尔·罗蒙德，Intersil的创始人谢尔顿罗伯茨，模拟电路大神鲍勃韦乐等均出自这家公司，仙童堪称半导体界“黄埔军校”。


仙童八叛徒

如今在这小小的芯片里面，蕴含着巨大的能量。在仅仅只有几平方厘米的面积内，半导体功率器件能承受数千伏的高压，数十安培的电流，並且可以长期稳定工作的。这在真空电子管时代简直是无法想象的。

如今半导体已经被广泛用于各行各业，无论是工业机电，还是大型电网，光伏逆变器，还是高铁，电动汽车，小到各种计算机、家用电气、智能手机、通信设备全都是半导体下游的终端应用。

而这一切都源于世界上第一个PN结二极管！而正是因为半导体技术的突飞猛进，人们使用着高速5G网络，用着最新的电子设备，打王者、刷抖音、听音乐、移动办公等绚烂多姿的信息时代生活。

B.贾扬.巴利加，IGBT之父！


B.贾扬.巴利加（B. Jayant.Baliga），一位令人尊敬的科学家，被誉为“IGBT之父”，2014年获得IEEE荣誉勋章。他发明了IGBT。而这种新结构的半导体芯片，则重塑了功率半导体产业，给世界带来新的力量！让人类更容易掌控电。

巴利加博士出生于印度马德拉斯，1969年获得马德拉斯印度理工学院电气工程学位。他于1971年和1974年获得伦斯勒理工学院的硕士和博士学位。从1974年到1988年，巴利加是纽约通用电气公司研发中心的成员，在那里他是高压设备和集成电路项目的经理。

1980年，他将巧妙的将功率器件的金属氧化物半导体（MOSFET）和双极型晶体管（BJT）巧妙的结合到一起做出了绝缘栅双极晶体管(IGBT)，为电力电子领域做出了重要贡献。

1979年，他提出了一个功率器件半导体材料评估的品质因数，证明了砷化镓、碳化硅和金刚石薄膜在功率器件中的巨大潜力，为这些材料带来了一个新的研究领域。现在碳化硅，氮化镓有个新名词叫第三代半导体材料，碳化硅在电动汽车，大型逆变器；氮化镓在快充，消费电子等应用领域飞速发展，把人类对电能的利用和控制再提高了一个台阶。

1988年，巴利加博士加入北卡罗来纳州立大学，继续从事功率半导体技术的研究，并创建了功率半导体研究中心。巴利加博士在1999年获得IEEE拉米奖章，1993年获得莫里斯·李伯曼纪念奖，2014年获得IEEE荣誉奖章，目前他还在北卡罗来纳州立大学任教，是一位令人尊敬的教授。

石油危机和IGBT横空出世

二战结束后，各国从战后的废墟中恢复过来，欧洲依靠“马歇尔计划”迅速恢复元气，开启了长达20年的高速发展期。但在西方经济腾飞的背后，却是中东波斯湾地区产油国被压迫的血泪史。

1891年，英国石油公司在伊朗钻了第一口井，此后，波斯湾巨型油田不断被发现。目前波斯湾地区已探明的石油储量约为490多亿吨，约占世界石油储量的一半。波斯湾地区不仅油藏异常丰富，开采容易，油品上乘，而且离港口近，航运条件非常好，因此波斯湾地区各国成了世界主要原油出产地和出口地，出口的原油占到全世界的90%。

战后的50年代，欧洲经济开始复苏，石油作为主要的石化能源和化学工业原料，波斯湾地区的迎来了历史上最大一波石油开拓潮，但主导者却是西方资本旗下的“石油七姐妹”：

英国石油、皇家壳牌、新泽西标准、加州标准、海湾石油、莫比尔、德士古……


在他们的压制下，石油价格长期处在1-2美元一桶，仅仅是煤炭价格的一半。而西方对阿拉伯宿敌以色列的支持，更激化了二者的矛盾。最终在1973年第四次中东战争爆发后，中东国家开始将石油当做武器，一边大幅减产，提高石油价格；一边开启国有化进程，将“七姐妹”赶出中东。

这就是影响深远的“第一次石油危机”。

1973年底，国际油价暴涨至11.6美元，西方建立在低油价基础上的工业体系瞬间崩盘，石油不仅能作为汽车等能量来源，还是绝大多数化工产品的重要原料，油价暴涨导致终端产品价格暴涨，需求下降，最终经济陷入衰退。而中东各国却从穷小子一跃步入土豪之列。以最大产油国沙特为例，2年前，他们的年财政收入仅有14亿美元，石油危机爆发后则迅速超过了千亿，至今成为全世界最富有的国家之一。在“石油危机”的年代，汽油简直是奢侈品一样的存在，你甚至能在美国街头看到为了节省汽油，复刻“马拉汽车”的荒诞一幕。


供需矛盾日益加剧下高涨的油价与石油紧缺对当时的美国，乃至全世界的生产生活以及经济发展都造成了不少影响。除去战争的因素，还有一个原因就是当时汽车、工业产品等电机效率低下，单单基于MOSEFT的器件难以控制功率降低，从而产生巨量油耗。

这些电机多数是感应电机，其转速由电源线频率控制。因此，当需要机器降低功率的时候，没有什么好办法使它慢下来。通常的解决方法是将一个物理屏障插入由泵推动的空气流或水流中,难怪那一代的电器效率都极其低下。

通用电气公司的一些工程师想探索一个简单的节能理念：让驱动电机到达预想转速就可以了。但这需要增加电子器件，以可变频率向电机的绕组输送功率，这在当时是不容易做到的。电压过高，MOSFET无法正常工作，而普通的BJT则需要既笨重又昂贵的控制和保护电路。

面对这些困难，通用电气公司的一名负责空调机动力的经理向公司的研发人员发出了呼吁。“你们需要给我一些创新，让我的生意成功啊。”

作为年轻的研发人员，他闯入了这个领域，继而发现了一块惊人的沃土,1980年前后，他发明了绝缘栅双极型晶体管-IGBT。

他早期在通用电气的研究涉及了晶闸管——目前主要用于处理极高电压的半导体器件。启动晶闸管很容易，但要关闭它们，则须等到电压极性反转，这就严重制约了其应用。但是，在研究晶闸管时，巴利加得到了一些启示：他发现它们可以被改造，使其像普通的晶体管一样工作，也就是可以按照指令打开和关闭。在了解到通用电气对节能变频电机驱动器的需求后，巴利加设计出了一种晶闸管状的装置，将MOSFET和双极型晶体管的最佳属性相结合，而当时，这两种器件在半导体世界中被认为是完全不相关的。

巴利加自嘲道：“这就像吉卜林的那句‘东是东，西是西，东西永古不相期’。”他将这两种技术在一个器件中融合的建议是大胆的，但他表示，利用通用公司的一条MOSFET生产线，这种新晶体管可以相对容易地进行制造。

同事们将巴利加的想法向通用电气公司的新任董事长兼首席执行官小杰克F韦尔奇（Jack F. Welch Jr.）进行了汇报。这位董事长严苛的管理风格为其赢得了“中子杰克”的绰号，巴利加解释说：“如果他参观工厂后不满意，他离开工厂后所有人都会被炒鱿鱼——就像一颗中子炸弹。”

曾与巴利加在通用共事、现为威斯康星大学麦迪逊分校工程教授的托马斯扬斯（Thomas Jahns）证实了在韦尔奇手下做事是怎样的情形。“当时非常紧张。（研究人员）被召集到一起提供解决方案：你要么交方案，要么走人。”

1981年初，韦尔奇前往通用电气的研究中心，听取有关新晶体管理念的汇报——这次汇报的压力对于巴利加来说是前所未有的。他说：“很多职位都会命悬一线，特别是我的。”但一切进行顺利，在一年之内，巴利加和他的同事就开始制造这种新型晶片了。最初，他称这种装置为“绝缘栅整流器”，试图将它与普通的晶体管区别开来。但后来，他将其更名为绝缘栅双极型晶体管，以避免应用工程师混淆。

新的IGBT成功地避免了灾难性的“闭锁效应”——在晶体管关闭之后仍像晶闸管一样持续导通电流。但它的关闭速度还是太慢，无法用于变频电机驱动，而已知用于提升晶体管关闭速度的方法将会破坏此类金属氧化物半导体（MOS）器件。巴利加回忆起同事们失望的结论：“我们可以将它用于60赫兹。也许能用在蒸汽熨斗上。”

韦尔奇的中子爆发威力毫无疑问是心头之重，巴利加最终设计了一个巧妙的办法提升IGBT的速度：电子辐照。

这种方法曾被用于双极型功率整流器，但它会损坏MOS器件。巴利加想到了如何用最低的热量来修复MOS结构，同时提升速度的方法。

巴利加说：“从低频到任意高频，我都可以一直对速度进行控制。”在短短几个月内，这一新工艺就被用于芯片的制造了。“大家对此都热情高涨——高速器件实现了。他们可以开始用它进行运作。它立刻就会启动起来。”

IGBT广泛蔓延之地包括日本，在那里，富士电机、日立、三菱电机以及其他企业对巴利加的工作表示出了兴趣，并最终开始制造这些器件，与通用形成了激烈的竞争。而此时，通用电气在制造超大规模集成电路中的投资形势变得很不乐观。1988年，韦尔奇决定卖掉通用电气的整个半导体业务。这一举动使巴利加的研究专长在该公司无用武之地了。

巴利加回忆说，老板表示会在公司的高级管理层为他找一个职位。他说：“但在我心里，我仍然觉得自己是一个科学家。”但其他公司能提供给他的职位并不具有吸引力，而且功率器件的学术活动在当时的美国是不存在的。这些并不意味着他不能创建自己的研究项目，但问题是，在哪里创建？

巴利加经常访问北卡罗莱纳州的三角研究园，在那里，通用电气公司有一个功率电子小组，而且他知道，北卡罗莱纳微电子中心（MCNC）在那里配有一条最先进的互补金属氧化物半导体（CMOS）生产线。有了这些设施，他相信可以在附近的北卡罗莱纳州立大学很好地进行研究工作了。而这所大学正急于将他招至麾下。当时负责在新开发的卫星校区建立半导体研究项目的系主任尼诺马斯纳里（Nino Masnari）说道：“他本可以去任何地方的。”

因此，在1988年8月，巴利加搬到了北卡罗莱纳州，至迄今为止，他已经在那里度过了数十载的教学和研究生涯了，直到现在巴利加博士依然从事着他喜欢的研究工作。

功率霸主——英飞凌

尽管通用电气最先做出这个被誉为掌控电力世界的钥匙——IGBT，但是事实上由于各种原因，最终,通用选择放弃，而巴利加博士也离开通用去了北卡的微电子中心扎根基础研究。

通用放弃后，一群虎视眈眈的企业一拥而上。首先就是西门子以及日本公司三菱和富士，几乎就在前后脚研发出IGBT，随后ABB，仙童，东芝们加入战团。时至今日，说起IGBT领域，依然是这几个巨头把占据着IGBT庞大的市场份额。而从西门子拆分出来的英飞凌作为功率器件一方霸主，依然牢牢占据主导地位，甚至英飞凌的IGBT就是行业标杆，所有人都在努力对标英飞凌，“嘿，哥们，你看我的饱和压降做的比英飞凌还好！”

英飞凌曾经是西门子的一个部门，1999年从西门子拆分之后成为现在英飞凌，作为常年世界半导体Top10的霸榜公司，功率半导体的“一哥”的产品体系确实影响了整个行业。

英飞凌目前公认的“世界半导体功率一哥”，特别是在IGBT，SJ-MOSFET以及碳化硅，MEMS、MCU、以及电管管理IC方面有着非同小可的影响力，其质量和产品稳定性有口皆碑，随着新能源时代的转型，汽车电子的兴起，英飞凌的业务再次得到飞速发展。

根据英飞凌披露的数据，2021财年，英飞凌总收入达到110亿欧元，同比增长29%，利润20.7亿欧元，上升18.7%，预测2022财年总收入有望达到127亿欧元。

英飞凌目前分成4个事业部，汽车电子事业部ATV（车用功率产品/传感器/MCU等）占比42%、电源与传感系统事业部PSS（MOSFET/功率IC/射频芯片）占比31%、工业功率控制事业部IPC（IGBT器件及模组/IPM模块/SiC等）占比14%和安全互联系统事业部CSS（连接/安全IC/MCU）占比13%。

从收入占比可以看出汽车电子的车规级产品和工业功率控制的两个事业部占比超过了56%。

英飞凌的各代IGBT

初代IGBT

1988年英飞凌正式推出了第一代IGBT。第一代IGBT的技术特点叫平面栅穿通型（Punch Through）简称PT结构。


PT结构使用较厚重掺杂的P+衬底作为起始层，在此之上依次生产N+缓冲层，N+base外延层，作为它的漂移区，最后在外延层表面形成元胞结构，它因为截止时电充贯穿整个N-base区而得名。

它的优点是与MOS工艺结合比较好，在600V以下低压系列曾经在上世纪80年代一度呼风唤雨，统领江湖，但是由于当时外延工艺和成本的问题，载流子寿命控制问题，以及饱和压降呈负温度系数以及不利于并联等问题，以及超过1200V成本过于高昂的问题，后期逐渐被其他公司的产品赶超，目前已经无法再看到其的身影。

二代IGBT


很快在90年代，这种NPT结构的IGBT迅速占领市场。

当时还有一个小插曲，1995年富士加入战团，为此英飞凌还和富士闹上法庭，打了一场专利官司。

当时富士想进入美国市场，但是英飞利布下大量专利，筑起专利墙，富士无功而返，最后在星野政弘先生的带领下日本团队仔细研究并发现了英飞凌专利的漏洞，最终双方握手言和并进行了专利的交叉授权。

第二代NPT与第一代PT不同在于，它使用低掺杂的N-衬底作为起始层，先在N-漂移区的正面做成MOS结构，然后用研磨减薄工艺从背面减薄到 IGBT 电压规格需要的厚度，再从背面用离子注入工艺形成P+ collector。在截止时电场没有贯穿N-漂移区，因此称为“非穿通”型。

NPT不需要载流子寿命控制，但它的缺点在于，如果需要更高的电压阻断能力，势必需要电阻率更高且更厚的N-漂移层，这意味着饱和导通电压Vce(sat)也会随之上升，从而大幅增加器件的损耗与温升。

这种IGBT制造工艺需要用到区熔硅片，一种不同于直拉法的硅片，这种区熔硅片的成本虽然高于普通抛光片，但是依然只有PT所需厚外延片的一半。

三代IGBT

2000年后，英飞凌公司研制出新型IGBT结构，它的结构中加入了Field-Stop，同时又把平面型沟道结构变成垂直于硅片表面的沟道，因此它也叫沟槽场截止型IGBT（Trench+FS），它同时具有PT和NPT两代IGBT结构的优点，至今一直居于主导地位。英飞凌第三代及以后的IGBT均采用了此类技术。


IGBT3的出现，又在IGBT江湖上掀起了一场巨大的变革。IGBT3的元胞结构从平面型变成了沟槽型。沟槽型IGBT中，电子沟道垂直于硅片表面，消除了JFET结构，增加了表面沟道密度，提高近表面载流子浓度，从而使性能更加优化。

英飞凌目标在于尽量减少漂移区厚度，从而降低饱和电压。场截止IGBT起始材料和NPT相同，都是低掺杂的N-衬底，不同在于FS IGBT背面多注入了一个N buffer层，它的掺杂浓度略高于N-衬底，因此可以迅速降低电场强度，使整体电场呈梯形，从而使所需的N-漂移区厚度大大减小。此外，N buffer还可以降低P发射极的发射效率，从而降低了关断时的拖尾电流及损耗。

目前在中低压领域3代IGBT已经慢慢退出舞台被4代IGBT所取代，但是在高压，超高压领域如3300V/4500V/6500V依然是3代IGBT占主流。

四代IGBT

IGBT4是目前使用最广泛的IGBT芯片技术，它的特征沟槽栅+场截止+薄晶圆，和IGBT3一样几乎一样。但IGBT4优化了背面结构，漂移区厚度更薄，背面P发射极及N buffer的掺杂浓度及发射效率都有优化。

电压包含600V，1200V，1700V，电流从10A到3600A，各种应用中都可以见到它的身影。


五代IGBT

IGBT5是所有IGBT系列里最土豪的产品，别的芯片表面金属化都用的铝，而IGBT使用厚铜代替了铝，铜的通流能力及热容都远远优于铝，因此IGBT5允许更高的工作结温及输出电流。同时芯片结构经过优化，芯片厚度进一步减小。


因为IGBT5表面覆铜，并且在模块封装中采用了先进的XT封装工艺，因此工作结温可以达到175℃。芯片厚度相对于IGBT4进一步减薄，使得饱和压降更低，输出电流能力提升30%。

六代IGBT

6掌门虽然和4掌门之间隔了个5，但6其实是4的优化版本，依然是沟槽栅+场截止。IGBT6目前只在单管中有应用。


6代IGBT器件结构和IGBT4类似，但是优化了背面P+注入，从而得到了新的折衷曲线。

IGBT6目前发布的有2个系列的产品，S6导通损耗低，Vce(sat) 1.85V; H6开关损耗低，相比于H3，开关损耗降低15%。


七代IGBT

IGBT经数代，厚积薄发，2018年终于迎来了万众瞩目的IGBT7它的特征是微沟槽栅+场截止。


虽然都是沟槽栅，但多了一个微字，整个结构就大不一样了。IGBT7沟道密度更高，元胞间距也经过精心设计，并且优化了寄生电容参数，从而实现5kv/us下的最佳开关性能。

IGBT7 Vce(sat)相比IGBT4降低20%，可实现最高175℃的暂态工作结温。

这代产品转为电机驱动器优化，可以实现5kv/us下最佳性能。E7应用更广泛，电动车主驱，光伏逆变器等。


一张表看懂英飞凌历代IGBT

从IGBT结构的发展历史可以发现，IGBT的功率密度提升，结构的改进大致分成三个方向。

（1）器件纵向结构：非穿通型(NPT)结构→拥有缓冲层的穿通型(PT)结构→场截止型（FS）、软穿通型（SPT）结构

（2）栅极结构：平面栅结构→垂直于芯片表面的沟槽型结构

（3）硅片的加工工艺：外延生长技术→区熔硅单晶→多埋层外延

除了英飞凌，日系公司对IGBT的贡献也颇多，特别是在工艺和设备方面在离子注入，背减，以及金属化方面日系企业也有自己的独特理解。

纵观全球市场，IGBT主要供应厂商基本是欧美及日本几家公司，它们代表着目前IGBT技术的最高水平，包括德国英飞凌、瑞士ABB、赛米控、安森美以及日本三菱、东芝、富士等公司。其IGBT技术基本发展到第七代技术产品，IGBT产品覆盖了600-6500V/2-3600A全线产品。在高电压等级领域（3300V以上）更是完全由英飞凌、ABB、三菱三大公司所控制，在大功率沟槽技术方面，英飞凌与三菱公司处于国际领先水平。

目前国内在中低端领域已经做的非常不错，实现了国产替代，在中高端领域谁能与欧美大厂一争高下呢？

新能源的“芯脏”IGBT

如果没有所谓的新能源革命，那么IGBT会过过去一样，每年保持平稳增长，但是现在这一切都变了，IGBT变成炙手可热的明星。

无论是光伏/风电新能源，还是新能源电动汽车都离不开电子电力转换的核心——IGBT。在光伏/风电的逆变器/变流器上，在汽车的电驱总成里，都留下了IGBT的身影。在光伏/风电新能源领域，刚开始发出的电是“粗电”，需要变成精细电才能上网，于是IGBT就肩负起这样的使命。而且现在欧洲因为战争因素，电价奇高，欧洲家庭光伏需求大增，毕竟只要2年就能收回投资成本，所以配套的微型逆变器也同样大卖。

从燃油车到新能源汽车的更新换代，除了动力系统“油改电”之外，汽车也变的更加智能化，与汽车联网化、电子化、电气化，并称“一气三化”。这种升级换代导致汽车增加大量的功率半导体器件、电源管理IC、传感器、控制芯片、算法芯片、各类驱动芯片和和无线通信芯片，整车的“含硅量”急剧提升，汽车也从一个机械产品变成一个电子产品。有人开玩笑称未来的新能源汽车是“带轮子的手机”。

作为新能源汽车的核心动力单位，OBC系统（汽车充电管理系统）和电驱总成系统肩负着电池充电以及电池为电机持续稳定供电的重要使命，重要性不言而喻。这两个系统中由大量的IGBT、MOS管、二极管、三极管以及电源管理IC组成，而IGBT则是用量最大且最关键的功率半导体芯片。

IGBT作为整个新能源汽车动力的“心脏”，肩负着电能转换的核心，而且汽车内部空间寸土寸金，厂家都希望整个OPC系统和逆变器不仅能提供强劲的输出功率，同时体积要尽可能的小，重量尽可能的轻，发热要尽可能的低，损耗尽可能的小，而且稳定性有保证，这样才能保证在自家产品的竞争优势，这对IGBT提出极大的挑战。

除了混动车之外，纯电车都有着“里程焦虑”的问题，毕竟给电动车充满电的时间要远远超过汽油车加一箱油的时间，这点是目前纯电汽车的硬伤，制约着长距离的出行，哪怕高速上有充电桩，但是万一排队的人比较多，需要长时间等待，只怕所有电动车主都在后悔：“我在哪里？我在干什么？我为什么要买一个电动车？为什么还要开着上高速？”

于是快充方案被提上日程，无论是现在400V快充或是将来的800V高压快充，都将是解决新能源汽车特别是电动汽车“里程焦虑”的关键，而充电快慢关键又和IGBT的水平相关。如果采用800V高压快充，那里面的IGBT要求都必须是1200V以上的产品，几大刚需一叠加IGBT显得更加重要，特别是中高端IGBT，需求更加旺盛。

根据天风证券预测，中国2025年新能源汽车有望达到600-700万量，经测算中国新能源汽车半导体市场规模在2025年有望达到62.8亿-73.2亿美元。汽车半导体包含功率、控制芯片、传感器，其中功率半导体的在新能源汽车半导体价值量中的占比达到55%，价值量在31-36亿美金之间，换言之，从目前整个IGBT市场规模的89亿美金到2025年的180亿美金中，IGBT市场的增长大头将来自新能源汽车，其他包括光伏，工业电机，轨道交通等。

IGBT，未来可期！

最强劲敌？后起之秀碳化硅

在IGBT发展如火如荼，市场中出现另外一种声音：未来IGBT会被碳化硅取代。

实际上这句话是误解的，碳化硅是一种材料，IGBT是一种器件结构，材料怎么可能去取代一种结构呢？

其真实的含义是使用碳化硅做的MOSFET与硅基IGBT做对比。前文已经解释过了之所以会出现IGBT这种结合MOS和BJT的优点的新型结构的功率芯片，就是因为当初MOSFET无法承受高压，所以巴利加博士才会想到把这两者结合到一起发明出IGBT。

现在碳化硅可以利用材料本身优势，做成的MOSFET直接就能耐高压，一次性解决了所有难题。

碳化硅是一种化合物半导体材料，在国内有个高大上的名字叫第三代半导体材料，其实在国外没有这种叫法，统称宽禁带半导体材料，包括碳化硅（SiC），氮化镓（GaN），氧化镓(Ga2O3)，氮化铝(ALN)在内的禁带宽度超过2.2eV的化合物半导体材料的都划到一起。

诚然碳化硅作为一种新的半导体材料，有着远超硅的物理性能，其禁带宽度是硅的3倍，饱和电子偏移速度是2倍，击穿场强是10倍以上，导热能力是硅的2倍多，耐压和散热性能远超硅基器件，因此用碳化硅材料做成的功率器件，能够耐高压耐大电流，不仅面积小，功率密度还提升一个档次。而且碳化硅的电子饱和速度是硅的2倍，这使得碳化硅的外围电子很容易达到满阶饱和状态，不容易变成自由电子走掉，这意味着碳化硅的开关速度可以非常快。理论上，碳化硅的特征通态电阻也突破硅的极限，阻抗很小，意味着损耗就很小。因此采用碳化硅的功率模组有着更小巧的体积，更强的功率输出，更低的损耗，而且还大大减少了周边元件的使用，确实好处颇多。

但是碳化硅有个最大问题就是衬底材料非常昂贵。目前一片6英寸的碳化硅衬底价格高达1000美金，同质外延片更是超过1500美金，而6英寸的硅片才30美金，外延片才50美金左右，同面积下两者价格差了几百倍，尽管同电压下碳化硅MOSFET的芯片面积仅仅只有硅IGBT的1/10左右，但是因为高昂的衬底价格，基本碳化硅MOSFET单管依然是硅IGBT的3倍-5倍。

所以碳化硅MOSFET的降价很大程度上取决于碳化硅衬底的价格下降，毕竟碳化硅衬底实在太贵了。

硅基IGBT胜在工艺成熟，价格便宜，应用面广，成本容易得到控制，长期以内均是主流，而碳化硅则是诗和远方，现在面临产能不足，价格昂贵等多个问题，产业还需要一定时间去发展。

目前业内判断碳化硅起来的拐点是达到750美金开始出现快速吃掉功率半导体的增量市场，降低至500美金时开始挤占原有IGBT的存量市场，但是这个时间点可能在十年左右。

结语

从富兰克林揭示雷电奥秘，到奥斯特、法拉第、安倍等科学家发现电与磁的奥秘，到麦克斯韦统一电与磁；从爱迪生与特斯拉针锋相对，到西门子、通用、ABB、三菱们把人类带入电气时代。

从弗莱明发明电子管到肖克利发明晶体管，从简陋的二极管，三极管到IGBT；从一代P.P.T结构IGBT到现在微沟槽+场截止型7代IGBT；从硅基到碳化硅，氮化镓，以及未来可能出现的以氮化铝，金刚石为衬底材料的功率半导体，数十年来人类一直在掌握能源上，特别是掌握电能，高效利用电能上不断前行，希望在未来最终能完全彻底的掌控“雷电力量”实现“碳中和”的伟大目标。

在未来新能源的盛宴上，中国不会缺席，因为中国有士兰微、时代电气、华润微、积塔半导体、斯达等一干刻苦专研功率半导体技术的优秀公司。

致敬所有伟大的科学家和伟大的公司。

参考资料：

电力科技的发展历史；

盘点2014全球知名十大IGBT生产商；

IGBT的发展历史；

中国IGBT的进击之路；

电气发展历史；

英飞凌各代IGBT模块技术详解；

交直流电发展历史；

改变世界的技术：

从IGBT到IPM的故事；

英飞凌和富士对IGBT时间定义上的区别；

中国IGBT真的逆袭了吗？

PT，NPT，FS型IGBT的区别；

一文看懂1-7代IGBT发展史；

麦克斯韦与麦克斯韦方程；

中东石油危机；

美国建国历史；

半导体的发展与历史；

硅谷传奇；

世界集成电路发展史；

赫维赛德：被遗忘的伟大物理学家；