前言

在Tech Web的“基礎(chǔ)知識(shí)”里新添加了關(guān)于“功率元器件”的記述。近年來，使用“功率元器件”或“功率半導(dǎo)體”等說法，以大功率低損耗為目的二極管和晶體管等分立（分立半導(dǎo)體）元器件備受矚目。這是因?yàn)?，為了?yīng)對(duì)全球共通的 “節(jié)能化”和“小型化”課題，需要高效率高性能的功率元器件。

然而，最近經(jīng)常聽到的“功率元器件”，具體來說是基于什么定義來分類的呢？恐怕是沒有一個(gè)明確的分類的，但是，可按以高電壓大功率的AC/DC轉(zhuǎn)換和功率轉(zhuǎn)換為目的的二極管和MOSFET，以及作為電源輸出段的功率模塊等來分類等等。

在這里，分以下二個(gè)方面進(jìn)行闡述：一是以傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的“硅（Si）功率元器件”，另一是與Si半導(dǎo)體相比，損耗更低，高溫環(huán)境條件下工作特性優(yōu)異，有望成為新一代低損耗元件的“碳化硅（SiC）功率元器件”。SiC半導(dǎo)體已經(jīng)開始實(shí)際應(yīng)用，并且還應(yīng)用在對(duì)品質(zhì)可靠性要求很嚴(yán)苛的車載設(shè)備上。提起SiC，可能在有些人的印象中是使用在大功率的特殊應(yīng)用上的，但是實(shí)際上，它卻是在我們身邊的應(yīng)用中對(duì)節(jié)能和小型化貢獻(xiàn)巨大的功率元器件。

SiC功率元器件

關(guān)于SiC功率元器件，將分以下4部分進(jìn)行講解。

SiC是在熱、化學(xué)、機(jī)械方面都非常穩(wěn)定的化合物半導(dǎo)體，對(duì)于功率元器件來說的重要參數(shù)都非常優(yōu)異。作為元件，具有優(yōu)于Si半導(dǎo)體的低阻值，可以高速工作，高溫工作，能夠大幅度削減從電力傳輸?shù)綄?shí)際設(shè)備的各種功率轉(zhuǎn)換過程中的能量損耗。

SiC半導(dǎo)體的功率元器件SiC-SBD（肖特基勢(shì)壘二極管）和SiC-MOSFET已于2010年＊1量產(chǎn)出貨，SiC的MOSFET和SBD的“全SiC”功率模塊也于2012年＊1實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。此時(shí)，第二代元器件也已量產(chǎn)，發(fā)展速度很快。（＊1：ROHM在日本國內(nèi)或世界實(shí)現(xiàn)首家量產(chǎn)）

最初的章節(jié)將面向還沒有熟悉SiC的工程師、以SiC的物理特性和優(yōu)點(diǎn)為基礎(chǔ)進(jìn)行解說。后續(xù)，將針對(duì)SiC-SBD和SiC-MOSFET，穿插與Si元器件的比較對(duì)其特性和使用方法的不同等進(jìn)行解說，并介紹幾個(gè)采用事例。

全SiC模塊是作為電源段被優(yōu)化的模塊，具有很多優(yōu)點(diǎn)。將在其特征的基礎(chǔ)上，對(duì)其在實(shí)際應(yīng)用中的具體活用要點(diǎn)進(jìn)行解說。

由于SiC功率元器件在節(jié)能和小型化方面非常有效，因此，希望在這里能加深對(duì)元器件的了解，以幫助大家更得心應(yīng)手地使用它。

何謂碳化硅

碳化硅（SiC）是比較新的半導(dǎo)體材料。一開始，我們先來了解一下它的物理特性和特征。

SiC的物理特性和特征

SiC是由硅(Si)和碳(C)組成的化合物半導(dǎo)體材料。其結(jié)合力非常強(qiáng)，在熱、化學(xué)、機(jī)械方面都非常穩(wěn)定。SiC存在各種多型體（多晶型體），它們的物理特性值各有不同。4H-SiC最適用于功率元器件。下表為Si和近幾年經(jīng)常聽到的半導(dǎo)體材料的比較。

3英寸4H-SiC晶圓

表中黃色高亮部分是Si與SiC的比較。藍(lán)色部分是用于功率元器件時(shí)的重要參數(shù)。如數(shù)值所示，SiC的這些參數(shù)頗具優(yōu)勢(shì)。另外，與其他新材料不同，它的一大特征是元器件制造所需的p型、n型控制范圍很廣，這點(diǎn)與Si相同。基于這些優(yōu)勢(shì)，SiC作為超越Si限制的功率元器件用材料備受期待。

SiC的物理特性和特征

SiC比Si的絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)高約10倍，可耐600V～數(shù)千V的高壓。此時(shí)，與Si元器件相比,可提高雜質(zhì)濃度，且可使膜厚的漂移層變薄。高耐壓功率元器件的電阻成分大多是漂移層的電阻，阻值與漂移層的厚度成比例增加。因?yàn)镾iC的漂移層可以變薄，所以可制作單位面積的導(dǎo)通電阻非常低的高耐壓元器件。理論上,只要耐壓相同，與Si相比,SiC的單位面積漂移層電阻可低至1/300。

Si 功率元器件為改善高耐壓化產(chǎn)生的導(dǎo)通電阻増大問題，主要使用IGBT（絕緣柵極雙極晶體管）等少數(shù)載流子元器件（雙極元器件）。但因?yàn)殚_關(guān)損耗大而具有發(fā)熱問題，實(shí)現(xiàn)高頻驅(qū)動(dòng)存在界限。由于SiC能使肖特基勢(shì)壘二極管和MOSFET等高速多數(shù)載流子元器件的耐壓更高，因此能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn) “高耐壓”、“低導(dǎo)通電阻”、“高速”。

此時(shí)，帶隙是Si的約3倍，能夠在更高溫度下工作。現(xiàn)在，受封裝耐熱性的制約可保證150℃～175℃的工作溫度，但隨著封裝技術(shù)的發(fā)展將能達(dá)到200℃以上。

以上簡略介紹了一些要點(diǎn),對(duì)于沒有物理特性和工藝基礎(chǔ)的人來說可能有些難，但請(qǐng)放心,即使不理解上述內(nèi)容也能使用SiC功率元器件。

SiC功率元器件的開發(fā)背景和優(yōu)點(diǎn)

前面對(duì)SiC的物理特性和SiC功率元器件的特征進(jìn)行了介紹。SiC功率元器件具有優(yōu)于Si功率元器件的更高耐壓、更低導(dǎo)通電阻、可更高速工作,且可在更高溫條件下工作。接下來將針對(duì)SiC的開發(fā)背景和具體優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行介紹。

SiC功率元器件的開發(fā)背景

之前談到，通過將SiC應(yīng)用到功率元器件上，實(shí)現(xiàn)以往Si功率元器件無法實(shí)現(xiàn)的低損耗功率轉(zhuǎn)換。不難發(fā)現(xiàn)這是SiC使用到功率元器件上的一大理由。其背景是為了促進(jìn)解決全球節(jié)能課題。

以低功率DC/DC轉(zhuǎn)換器為例，隨著移動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，超過90 %的轉(zhuǎn)換效率是很正常的，然而高電壓、大電流的AC/DC轉(zhuǎn)換器的效率還存在改善空間。眾所周知，以EU為主的相關(guān)節(jié)能指令強(qiáng)烈要求電氣/電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)包括消減待機(jī)功耗在內(nèi)的節(jié)能目標(biāo)。

在這種背景下，削減功率轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的能耗是當(dāng)務(wù)之急。不用說，必須將超過Si極限的物質(zhì)應(yīng)用于功率元器件。

例如，利用SiC功率元器件可以比IGBT的開關(guān)損耗降低85%。如該例所示，毫無疑問，SiC功率元器件將成為能源問題的一大解決方案。

SiC的優(yōu)點(diǎn)

如前文所述，利用SiC可以大幅度降低能量損耗。當(dāng)然，這是SiC很大的優(yōu)點(diǎn)，接下來希望再了解一下低阻值、高速工作、高溫工作等SiC的特征所帶來的優(yōu)勢(shì)。

通過與Si的比較來進(jìn)行介紹?！钡妥柚怠笨梢詥渭兘忉尀闇p少損耗，但阻值相同的話就可以縮小元件（芯片）的面積。應(yīng)對(duì)大功率時(shí)，有時(shí)會(huì)使用將多個(gè)晶體管和二極管一體化的功率模塊。例如，SiC功率模塊的尺寸可達(dá)到僅為Si的1/10左右。

關(guān)于“高速工作”，通過提高開關(guān)頻率，變壓器、線圈、電容器等周邊元件的體積可以更小。實(shí)際上有能做到原有1/10左右的例子。

“高溫工作”是指容許在更高溫度下的工作，可以簡化散熱器等冷卻機(jī)構(gòu)。

如上所述，可使用SiC來改進(jìn)效率或應(yīng)對(duì)更大功率。而以現(xiàn)狀的電力情況來說，通過使用SiC可實(shí)現(xiàn)顯著小型化也是SiC的一大優(yōu)點(diǎn)。不僅直接節(jié)能，與放置場(chǎng)所和運(yùn)輸?shù)乳g接節(jié)能相關(guān)的小型化也是重要課題之一。

審核編輯黃昊宇