这位中国科学家引发第二次电子革命，让中国功率半导体领先世界
胖福的小木屋2019-12-05 16:54
2019年12月4日，陈星弼院士在四川成都逝世，享年89岁，这个消息可以说基本上没有人关注。可是陈星弼院士做出的贡献我们应该要铭记，他是“中国功率器件领路人”，是国际上功率器件的结终端理论的集大成者。
他引发了第二次电子革命，美国科学家Michael W. Shore提到陈星弼的发明对半导体业界革命性的影响说：“他们所发布的这些专利和发明，真真切切地在功率半导体技术方面引发了一场革命。”
今天，就让我们一起了解一下这位伟大的科学家。
出身书香世家，中国第一批从事半导体科技的科学家
1931年1月28日，陈星弼出生在一个官宦之家，祖籍浙江省浦江县青塘镇。祖父曾为清朝武举人，父亲陈德征因家庭贫穷靠勤工俭学就读于杭州之江大学化学系。母亲徐呵梅是浙江余姚人，由于小时聪颖过人，外祖父不仅特许不缠小脚，还允许读书，直至进入上海大学读文学。
因为抗战爆发，生活艰苦，陈星弼曾想放弃学业，出外谋生。父亲坚持让他继续读书，学到科学技术而为国家做实事，父亲的坚持让中国又多了应该伟大的科学家。再加上他一直进的是国立中学，包括生活费在内一概公费，因此没有中断学习。
陈星弼受父亲和老师的影响，一直认为唯有努力才是学习的正道，要做在学习上的老实人。1947年，他考取了同济大学电机系，并获得奖学金。
陈星弼将自己好学的性格发挥到了极致，人在电机系，却去旁听物理系及机械系的课，而工程力学及画法几何又学得比电机系的主要课程还好。他学过小提琴，而且能背出许多古典交响乐的曲谱。
1955年5月，国家正式决定在成都建立我国第一所电子工业大学。1956年9月29日，成都电讯工程学院（简称成电）召开首届开学典礼。
陈星弼被安排去了电子科技大学工作，同时也给了他进修新学科的机会。他选择了到中国科学院应用物理研究所进修半导体。
这一决定确定了他以后的发展方向。他在该所两年半的时间内，一边工作，一边自学了从物理系四大力学到半导体有关的专业课，当时国外对漂移晶体管的研究才刚刚开始，漂移晶体管是由杂质扩散方法制成的晶体管，由于基区杂质分布不均匀，因此又称为梯度基区晶体管。在这种晶体管中，由于基区杂质不均匀，因而产生一个电场。少子在基区不但有扩散运动，也有漂移运动，甚至以漂移运动为主 。
陈星弼就写出当时才出现的漂移晶体管中关于存储时间的论文。该文后来出现在Prichard著书的参考文献中。
陈星弼是我国第一批学习及从事半导体科技的人员之一，是原电子部“半导体器件与微电子学”专业第一个博士生导师且获得第一个博士点，在功率半导体领域，陈星弼为之奋斗了整整60年。
中国功率半导体第一人，引发第二次电子革命
功率半导体器件又被称为电力电子器件，是电力电子技术的基础，也是构成电力电子变换装置的核心器件，是进行功率处理的，具有处理高电压，大电流能力的半导体器件。
在计算机、通行、消费电子、汽车电子、电机调速、逆变器、不间断电源、电子开关等领域，功率半导体器件可以运用非常广泛，中国高铁的核心器件就包括功率半导体，作为国家战略性新兴产业，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。
功率半导体包括pin二极管、晶闸管、门极关断晶闸管、门极换流晶闸管、功率场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管。
而陈星弼可以说在功率半导体上做出了卓越的贡献，让中国功率半导体领先世界。
从八十年代以来，陈星弼就从事半导体电力电子器件的理论与结构创新方面的研究。他从理论上解决了提高p-n结耐压的平面及非平面工艺的终端技术问题，作出了一些迄今唯一的理论分析解。
陈星弼还在新型功率(电力电子)器件及其集成电路这一极其重要领域中，做出了一系列重要的贡献与成就。他率先在中国提出立项并作为第一主研完成了VDMOST、IGBT、Offset-GateMOST、LDMOST、SPIC及RESURF、SIPOS等器件及有关技术，并第一个提出了各种终端技术的物理解释及解析理论。。
他对垂直型功率器件耐压层及横向型功率器件的表面耐压区唯一地作出了优化设计理论且得到实际应用。对功率器件的另一关键技术——结终端技术——作出了系统的理论分析及最优化设计方法并应用在各种电力电子器件的设计中取得良好的效果。
他还提出了斜坡场板这一新结构的理论。他的三项重要发明能使电力电子器件在一个新的台阶上发展。这些发明打破了传统极限理论的约束，使器件的电学性能得到根本性的改进。
第一种第二种发明突破了高速功率MOS高压下导通电阻极限理论，得到新的极限关系。陈星弼提出的第一种发明已经被西门子公司实现，98年在国际电子器件会议(旧金山)发表。
第二种发明及第三种发明已在国内实验成功。根据第三种发明来制造高压(功率)集成电路中的横向器件，可以在工艺上和常规的CMOS及BiCMOS工艺兼容，使这种电路不仅性能优越，而且成本节省，而且还可立足国内。
为什么说陈星弼引发了第二次电子革命呢？
第一次电子革命是指由半导体微电子技术引起的变化，信息时代随之而来，你可以简单理解为我们经常提到的芯片之类的。
它是应用一个比头发丝小百倍（且越来越小）的晶体管（半导体器件）代替50年前有半个香蕉大的电子管。——陈星弼
“第二次电子革命”的说法来自B.J.Baliga，由于世界上有近四分之三的电能是通过半导体功率器件来转换其形式后才可以使用的，他认为用微电子技术来控制和利用电能的方法，可以称为第二次电子革命。
然而，有一个问题成为发展的瓶颈。要让功率管实现对电能的控制，主要的方法是开关。要想实现对开关的自由控制，就要实现开关的高灵敏、智能化。但是，功率管要求耐高电压而集成电路只能耐低电压。国外不得不把功率管和集成电路“隔离”起来，耗费巨大成本，还“费力不讨好”。
这个时候陈星弼经过多年的试验，陈星弼通过改变功率管的结构，发明了复合缓冲耐压结构，现称为超结器件（SUPER-JUNCTION）。它的优点是导通电阻低，易驱动，速度快，该发明被称为“功率器件的新里程碑”，其美国发明专利已被超过550个国际专利引用。
自1998年起，国外已有8家公司在制造。这个方法的工艺被改进后，成本大大下降，目前已成为一种重要产品，科技成果转化市场规模每年超过10亿美元。
他又研制成功了“具有异型掺杂岛耐压结构”。它适用于各种材料的各种功率器件，属于耐压结构上的创新。
利用这一发明技术，耐压450V的器件只需不到30μm的外延层。传统技术则要超过40μm的外延层。厚外延是中国的难题，片子需要在国外进口。利用这一发明不仅可使功率MOST导通电阻下降一倍（过去杂质分布优化理论的极限只不过比均匀分布的下降10%），而且用在470V耐压的二极管上其开关速度及导通压降与东芝公司的200V器件一致。
陈星弼的这几项发明被二次电子革命的突破口，阻碍第二次电子革命迅速发展的桎梏也将会因此而被打破，由此引发了第二次电子革命，这一创新在十年内将无人能突破。
他还发明了“表面耐压层结构”，这是陈星弼院士十余年的基础理论研究。利用该发明所做的横向型器件，可以达到同样衬底下突变平行平面结耐压的90%以上，而且导通压降特别低，开关速度快。其电学特性的优值为现有最佳器件的2～200倍。
更重要的是，这些器件在工艺上可以和常规CMOS及BiCMOS工艺全兼容。它使高压集成电路摆脱了成本高昂的介质隔离方法、占用面积过大的PN结隔离方法，或者是电学性能不够理想的RESURF自隔离方法。这会使我国高压（功率）集成电路在一个新的、比国际上更先进的起点上起飞。
作为国际半导体界著名的超结结构（Super Junction）的发明人，也是国际上功率器件的结终端理论的集大成者。陈星弼先生的其它重要发明还包括高K电介质耐压结构、高速IGBT、两种多数载流子导电的器件等。他发表超过200篇学术论文和获得授权中美等国发明专利40余项。
1999年，当选中国科学院院士。5月10日至14日，功率半导体领域最顶级的学术年会——第二十七届国际功率半导体器件与集成电路年会(IEEE ISPSD 2015)在中国香港举行。我校陈星弼院士因对高压功率MOSFET理论与设计的卓越贡献获得大会颁发的最高荣誉“国际功率半导体先驱奖”(ISPSD 2015 Pioneer Award)，成为亚太地区首位获此殊荣的科学家。
2018年，在功率半导体领域最顶级的学术年会上，陈星弼院士入选ISPSD首届名人堂，成为国内首位入选名人堂的华人科学家。
今天，让我们一起悼念陈星弼院士！
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