在半導(dǎo)體世界中，有很多產(chǎn)品是專門面向工業(yè)應(yīng)用溫度范圍的(-40/+85°C)，也有少數(shù)產(chǎn)品是面向汽車應(yīng)用范圍(-40/+125°C)。如果要尋找專門為+125°C以上溫度，并且質(zhì)量有相當(dāng)保證的產(chǎn)品，那是非常困難的。

然而，由于需要高溫元器件的應(yīng)用不斷增加，業(yè)界對“高溫”半導(dǎo)體器件的需求相當(dāng)大。其中，發(fā)展最引人注目的一個行業(yè)就是汽車電子，盡管全球經(jīng)濟(jì)變幻莫測，汽車電子行業(yè)一直保持著相對較快的成長率。

為什么需要高溫半導(dǎo)體器件?

目前，汽車和工業(yè)環(huán)境是最高溫度半導(dǎo)體器件的主要應(yīng)用領(lǐng)域。舉例來說，在這些方面，傳感器及其電子線路就必須放置在靠近功能模塊的地方。這樣做的話，就可以限制對高成本和高端布線方案的使用，以避免電磁干擾效應(yīng)(EMI)的出現(xiàn)。大家知道，線路越長，對EMI控制點(diǎn)及其控制方法的要求就更加敏感，就必須使用能夠提供抗干擾的高成本布線方案。將半導(dǎo)體器件放置在緊鄰自己所控制的組件的位置，就可以減少對此類配線的需求。

然而，在汽車和工業(yè)領(lǐng)域，半導(dǎo)體器件的應(yīng)用環(huán)境可能是非常苛刻的。其中，典型的應(yīng)用例子就是引擎控制單元(ECU)方面的控制電路。ECU用以監(jiān)視和優(yōu)化汽車引擎，它越來越多地應(yīng)用于溫度變化范圍極大的引擎區(qū)域中。

以下是高溫半導(dǎo)體器件的一個典型應(yīng)用例子。汽車的電子控制模塊(包括ECU、引擎冷卻風(fēng)扇、自動變速箱……)在引擎區(qū)域內(nèi)直接調(diào)節(jié)，并通過熱學(xué)方法與引擎區(qū)冷卻水或引擎輸油線路連接起來。因此，引擎控制單元電路的正常環(huán)境溫度范圍是+125°C左右。加上半導(dǎo)體器件功耗所引起的散熱，ECU的溫度會進(jìn)一步升高10°C左右。這意味著，每一個半導(dǎo)體器件必須承受的環(huán)境溫度大約為135°C。在這個最高溫度之上，還必須加上每個元器件的功耗，從而使半導(dǎo)體器件必須承受的溫度最大化。在下面的例子中，標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器或比較器必須能夠承受140°C左右的環(huán)境溫度。在現(xiàn)代汽車環(huán)境中，半導(dǎo)體器件必需能夠承受，且必須保證最少能夠在140°C的溫度環(huán)境下操作。

高溫半導(dǎo)體面臨極大的挑戰(zhàn)

在提高工作溫度的時(shí)候，半導(dǎo)體器件將受到一些物理規(guī)律的影響，這些規(guī)律可能會修正其固有的性能。隨著溫度的增加，除了晶體管的增益會下降外，設(shè)計(jì)者還必須面對一種稱為漏電流現(xiàn)象所引起的問題。漏電流現(xiàn)象所導(dǎo)致的問題的嚴(yán)重程度，依賴于器件本身所采用的技術(shù)以及設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化程度，但是，大多數(shù)問題通常是由溫升引起的。例如，相較矽(Si)技術(shù)而言，采用砷化鎵(GaAs)技術(shù)的半導(dǎo)體器件的漏電流較小，但是矽(Si)器件的應(yīng)用更加普遍，應(yīng)用范圍更廣泛。

半導(dǎo)體器件的基本操作原理是能源管理。在原子量級范圍內(nèi)，電子內(nèi)有兩種不同級別的能量：原子價(jià)(valence level)和導(dǎo)體(conduction level)。與此相關(guān)的一些技術(shù)術(shù)語是這樣定義的：

·能級(Enegy Level)：在孤立原子中，原子核外的電子按照一定的殼層排列，每一殼層容納一定數(shù)量的電子。每個殼層上的電子具有分立的能量值，也就是電子按能級分布。

·能帶(Enegy Band)：晶體中大量的原子集合在一起，而且原子之間距離很近，以硅為例，每立方厘米的體積內(nèi)有5×1022個原子，原子之間的最短距離為0.235nm。致使離原子核較遠(yuǎn)的殼層發(fā)生交疊，殼層交疊使電子不再局限于某個原子上，有可能轉(zhuǎn)移到相鄰原子的相似殼層上去，也可能從相鄰原子運(yùn)動到更遠(yuǎn)的原子殼層上去，這種現(xiàn)象稱為電子的共有化。從而使本來處于同一能量狀態(tài)的電子產(chǎn)生微小的能量差異，與此相對應(yīng)的能級擴(kuò)展為能帶。

·禁帶(Forbidden Band)：允許被電子占據(jù)的能帶稱為允許帶，允許帶之間的范圍是不允許電子占據(jù)的，此范圍稱為禁帶。原子殼層中的內(nèi)層允許帶總是被電子先占滿，然后再占據(jù)能量更高的外面一層的允許帶。被電子占滿的允許帶稱為滿帶，每一個能級上都沒有電子的能帶稱為空帶。

·價(jià)帶(Valence Band)：原子中最外層的電子稱為價(jià)電子，與價(jià)電子能級相對應(yīng)的能帶稱為價(jià)帶。

·導(dǎo)帶(Conduction Band)：價(jià)帶以上能量最低的允許帶稱為導(dǎo)帶。

導(dǎo)帶的底能級表示為Ec，價(jià)帶的頂能級表示為Ev，Ec與Ev之間的能量間隔(band gap)稱為禁帶，一般以Eg表示。對于不同的材料，禁帶寬度不同，導(dǎo)帶中電子的數(shù)目也不同，從而有不同的導(dǎo)電性。例如，絕緣材料SiO2的Eg約為5.2eV，導(dǎo)帶中電子極少，所以導(dǎo)電性不好，電阻率大于1012Ω·cm。半導(dǎo)體Si的Eg約為1.1eV，導(dǎo)帶中有一定數(shù)目的電子，從而有一定的導(dǎo)電性，電阻率為10-3—1012Ω·cm。金屬的導(dǎo)帶與價(jià)帶有一定程度的重合，Eg=0，價(jià)電子可以在金屬中自由運(yùn)動，所以導(dǎo)電性好，電阻率為10-6—10-3Ω·cm。

對于矽半導(dǎo)體來說，隨著溫度的提高，Eg的數(shù)值逐漸減小。因此，當(dāng)溫度提高時(shí)，電子就更容易從價(jià)帶傳導(dǎo)到導(dǎo)帶，這就是我們所說的漏電流。

為了使漏電流現(xiàn)象可視化，下圖描述了面向-40°/+85°C工業(yè)應(yīng)用的半導(dǎo)體產(chǎn)品的靜態(tài)(standby)電流變化與溫度之間的關(guān)系。可見，低溫時(shí)，按照其電氣規(guī)范的要求，靜態(tài)電流非常低。然而，隨著溫度的增加，漏電流起主導(dǎo)作用。因?yàn)樵跍囟乳撝抵螅╇娏髦狄灾笖?shù)形式增加值得注意的是，曲線圖中“knee”的位置會隨制造工藝的不同而不同。

高溫半導(dǎo)體在汽車中的應(yīng)用

目前，一些主要汽車電子器件廠商正在積極擴(kuò)展產(chǎn)品線和研究新產(chǎn)品，并且已經(jīng)將應(yīng)用范圍延伸到了-40°/+150°C范圍。這些高溫半導(dǎo)體在汽車中的應(yīng)用主要包括：防鎖死之制動傳感器、照明系統(tǒng)、引擎控制模塊的馬達(dá)控制、點(diǎn)火控制、線控制動裝置(Brake by wire)、電子穩(wěn)定程序、方向盤控制系統(tǒng)、夜晚識別系統(tǒng)、傳輸及動力總成(Power-train controls)、方向盤的線控(Steer by wire)等。