IGBT的发明者：他改变了整个电器时代

mhealth9 · 发表于 2019-10-17 00:25:57

IEEE荣誉勋章获得者B·贾扬·巴利

加为功率半导体领域注入活力

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20世纪70年代后期，美国的经济仍然受到多年超高油价的影响，卡特总统竭力想扭转国家繁荣与民众士气日趋下降的颓势。为了在群众中寻找智慧，他把普通市民带到了戴维营（Camp David），正如后来他在著名的“萎靡演讲”中所讲述的，这些人告诉他：“大胆些，总统先生。我们可能会犯错误，但我们已经准备好进行实验了。”

而有一个人已经准备好进行实验了——是真正的实验，他就是B•贾扬•巴利加（B. Jayant Baliga）——曾经的IEEE荣誉勋章获得者。当时，他正在为通用电气公司开发半导体功率器件，该公司在其众多的产品中使用了无数的电机，而这无数的电机则要消耗无数功率。

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，金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）无法正常工作，而普通的双极功率晶体管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。”巴利加回忆起他的话。

而这正是巴利加所做的。1980年前后，他发明了绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。现如今，此项发明被广泛应用于家用电器、工业机器人、荧光灯、汽车、火车、电视、光伏设备——任何需要随时快速开关高压电的地方。

虽然IGBT非常有影响力，但巴利加在功率半导体领域的贡献远不止于此。如今，他已经成为了罗利市北卡罗莱纳州立大学的电气和计算机工程教授。在他的职业生涯中，他不仅仅在追求实验进展，同时也在发展基础半导体理论、撰写教材，并努力将器件商业化，推向市场。在这一路上，他收获了许多荣誉，其中就包括2010年的美国国家技术和创新奖。

巴利加在现代功率半导体发展中能起到举足轻重的作用是出人意料的，因为在他职业生涯开始的时候，他对这些器件根本毫无兴趣。但作为一个年轻人，他闯入了这个领域，继而发现了一块惊人的沃土。

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巴利加拥有优越的成长背景，他童年时住在印度班加罗尔当时的郊区。他的父亲在那里经营着一个大型工厂，公司在工厂附近为他们家提供了一所宅邸。后来，他的父亲成为了巴拉特电子有限公司的董事长兼总经理。巴利加笑着回忆说：“我们家里有5个佣人和6个园丁，还有一辆配了专职司机的车——但整个院子都时常受到眼镜蛇的骚扰。”借助父亲的工程类书库，他培养了在电气工程方面的兴趣，这也成为他后来在印度理工学院马德拉斯分院所学习的专业。

在那里，他最终发现了一个他更喜欢的科目。“我看了一些书，比如《费曼物理学讲义》。”巴利加深情地回忆道，“但我没办法从我当时的电气工程专业转到物理学专业。所以我想，我只能退而求其次，也就是研究半导体。”
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1969年毕业后，巴利加选择出国继续深造，这似乎是逃脱他父亲——印度最杰出的电气工程师之一的阴影的最好方法。于是，他申请了纽约州特洛伊的伦斯勒理工学院。他被录取了，开始在索拉博•K•甘地（Sorab K. Ghandhi）的指导下研究半导体工程。

作为一名硕士研究生，巴利加研究了砷化镓半导体。在博士期间，他决定研究一种可以被用来制备砷化铟和铟砷化镓半导体的技术，这一过程现在被称为有机金属化学气相沉积法。经过一些初步的文献研究，他发现这是一项危险的工作，因为所涉及的化合物如果暴露在空气中会发生爆炸。

巴利加告诉他的导师：“如果出了问题，我和这栋楼里的其他人都会被炸死。”但他的导师甘地并没有退缩，只是建议巴利加制造一个“密闭性极强的”反应容器。实验成功了，而这一经历教会了巴利加一个重要的道理：只要你用心去做，即使是最危险、最困难的技术挑战也是可以克服的。

1974年，在获得博士学位后，巴利加希望在IBM或贝尔实验室找到一个研究职位。但他只有学生签证，连这些名企的面试机会都得不到。后来，一个在附近的纽约州尼什卡纳的通用电气研究实验室工作的同系研究生告诉他，通用电气有一个研究功率器件的职位，如果巴利加愿意，他可以帮忙安排面试。

巴利加并没有太高热情。“我为什么要研究功率器件呢？”他回忆说，“人们从20世纪50年代以来一直在研究功率器件。所有有意思的研究都已经有人做过了。”但由于没有更好的选择，他只好申请并接受了这份工作。特别不想回印度的巴加利说：“这是我唯一的机会。”

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。”

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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25年的教学和研究生涯了。奥巴马总统在几个月前也刚刚访问过那里，宣布成立下一代功率电子创新研究院以及为该所大学提供相应的1.4亿美元的拨款，而这是在巴利加的未来可再生电能配送和管理系统中心团队的帮助下赢取的。
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这所由联邦政府资助的新建机构的目标之一是：加快MOSFET和其他由宽带隙半导体制成的功率器件的开发，这些器件的性能要优于那些由硅制成的器件。将来，宽带隙MOSFET将足够廉价可靠，足以取代IGBT。巴利加开玩笑说：“如果一切顺利，我的那个大块宝贝儿（IGBT）就该离开了。”

但他并不在意。尽管巴利加是窄带隙器件硅制IGBT之父，但他一直以来都对宽带隙对手表示支持。事实上，他在通用电气开发IGBT期间，还发明了首个宽带隙功率半导体——砷化镓整流器。大约在同一时间，他设计了一种方法（现在被称为巴利加优值），根据基础理论来计算使功率器件发挥最佳功能的最优半导体类型——他强调了碳化硅以及其他宽带隙半导体的未来前景。关键在于，研究如何使这些特殊器件足够廉价，足以与硅竞争，这是巴利加和他的学生以及许多其他研究人员正在积极争取达到的目标。
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巴利加也参与到了开办创业公司的潮流中。在21世纪，他创办的公司所创造的功率半导体器件被用于蜂窝基站，还被用于控制输送到现代微处理器的巨大电流——这也只是举两个例子而已。虽然所有的发明在商业上都取得了成功，但这些都没有让他变得富有。“这没关系。”他说，“人们能使用我的芯片，我就非常激动了。”

事实上，虽然人们并不了解他的功绩，但世界各地数以百万的人都在从巴利加开创的功率半导体中受益。并且，随着对更高效的器件的需求不断上升，他们无疑将会在未来的很多年内继续受益。

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