碳化硅半導(dǎo)體

一、碳化硅材料的特性

SiC（碳化硅）是由硅（Si）和碳（C）組成的化合物半導(dǎo)體。與 Si 相比，SiC 具有十倍的介電擊穿場(chǎng)強(qiáng)、三倍的帶隙和三倍的熱導(dǎo)率。在半導(dǎo)體材料中形成器件結(jié)構(gòu)所必需的 p 型和 n 型區(qū)域都可以在 SiC 中形成。這些特性使 SiC 成為一種極具吸引力的材料，可用于制造性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其 Si 同類產(chǎn)品的功率器件。SiC 器件可以承受更高的擊穿電壓，具有更低的電阻率，并且可以在更高的溫度下工作。

SiC 以多種多晶型晶體結(jié)構(gòu)存在，稱為多型，例如 3C-SiC、6H-SiC、4H-SiC。目前4H-SiC在實(shí)際功率器件制造中通常是首選。直徑為3英寸至6英寸的單晶4H-SiC晶片可商購(gòu)獲得。

圖 1 碳化硅材料的特性

2. 功率器件應(yīng)用碳化硅材料的優(yōu)勢(shì)

介電擊穿場(chǎng)強(qiáng)比Si高約10倍。可以將 SiC 器件制成具有更薄的漂移層和/或更高的摻雜濃度，即，它們具有非常高的擊穿電壓（600V 及更高），并且相對(duì)于硅器件具有非常低的電阻。高壓器件的電阻主要由漂移區(qū)的寬度決定。理論上，在相同擊穿電壓下，與Si相比，SiC可以將漂移層的單位面積電阻降低到1/300。

用于高壓、大電流應(yīng)用的最流行的硅功率器件是 IGBT（絕緣柵雙極晶體管）。使用 IGBT，以犧牲開(kāi)關(guān)性能為代價(jià)實(shí)現(xiàn)了高擊穿電壓下的低電阻。少數(shù)載流子被注入漂移區(qū)以降低傳導(dǎo)（導(dǎo)通）電阻。當(dāng)晶體管關(guān)斷時(shí)，這些載流子重新結(jié)合和“消散”需要時(shí)間，從而增加開(kāi)關(guān)損耗和時(shí)間。相比之下，MOSFET 是多數(shù)載流子器件。利用SiC較高的擊穿場(chǎng)和較高的載流子濃度，SiC MOSFET因此可以結(jié)合功率開(kāi)關(guān)的所有三個(gè)理想特性，即高電壓、低導(dǎo)通電阻和快速開(kāi)關(guān)速度。

更大的帶隙也意味著 SiC 器件可以在更高的溫度下工作。當(dāng)前 SiC 器件的保證工作溫度為 150 攝氏度 – 175 攝氏度。這主要是由于封裝的熱可靠性。如果包裝得當(dāng)，它們可以在 200 攝氏度或更高的溫度下運(yùn)行。

碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管 (SBD) 的特性

擊穿電壓為 600V（遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)硅 SBD 的上限）及以上的 SiC SBD（肖特基勢(shì)壘二極管）很容易獲得。與硅 FRD（快速恢復(fù)二極管）相比，SiC SBD 具有低得多的反向恢復(fù)電流和恢復(fù)時(shí)間，因此顯著降低了恢復(fù)損耗和噪聲發(fā)射。此外，與硅 FRD 不同，這些特性在電流和工作溫度范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生顯著變化。SiC SBD 使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠提高效率、降低散熱器的成本和尺寸、增加開(kāi)關(guān)頻率以減小磁性元件的尺寸及其成本等。

SiC-SBD 越來(lái)越多地應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源中的功率因數(shù)校正器 (PFC) 和二次側(cè)橋式整流器等電路。今天的應(yīng)用是空調(diào)、太陽(yáng)能空調(diào)、電動(dòng)汽車充電器、工業(yè)設(shè)備等。

ROHM目前的SiC SBD陣容包括600V和1,200V；額定電流范圍為 5A 至 40A。1,700V 設(shè)備正在開(kāi)發(fā)中。

圖 2 SiC SBD 的特性

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