一、什么是SiC半導(dǎo)體？

1. SiC材料的物性和特征

SiC（碳化硅）是一種由Si（硅）和C（碳）構(gòu)成的化合物半導(dǎo)體材料。不僅絕緣擊穿場強(qiáng)是Si的10倍，帶隙是Si的3倍，而且在器件制作時可以在較寬范圍內(nèi)控制必要的p型、n型，所以被認(rèn)為是一種超越Si極限的功率器件材料。

SiC中存在各種多型體（結(jié)晶多系），它們的物性值也各不相同。用于功率器件制作，4H-SiC最為合適。

2. 功率器件的特征

SiC的絕緣擊穿場強(qiáng)是Si的10倍，因此與Si器件相比，能夠以具有更高的雜質(zhì)濃度和更薄的厚度的漂移層作出600V～數(shù)千V的高耐壓功率器件。高耐壓功率器件的阻抗主要由該漂移層的阻抗組成，因此采用SiC可以得到單位面積導(dǎo)通電阻非常低的高耐壓器件。

理論上，相同耐壓的器件，SiC的單位面積的漂移層阻抗可以降低到Si的1/300。而Si材料中，為了改善伴隨高耐壓化而引起的導(dǎo)通電阻增大的問題，主要采用如IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor : 絕緣柵極雙極型晶體管）等少數(shù)載流子器件（雙極型器件），但是卻存在開關(guān)損耗大的問題，其結(jié)果是由此產(chǎn)生的發(fā)熱會限制IGBT的高頻驅(qū)動。SiC材料卻能夠以高頻器件結(jié)構(gòu)的多數(shù)載流子器件（肖特基勢壘二極管和MOSFET）去實現(xiàn)高耐壓，從而同時實現(xiàn) "高耐壓"、"低導(dǎo)通電阻"、"高頻" 這三個特性。

另外，帶隙較寬，是Si的3倍，因此SiC功率器件即使在高溫下也可以穩(wěn)定工作。

二、SiC-MOSFET詳解

1. 器件結(jié)構(gòu)和特征

Si材料中越是高耐壓器件，單位面積的導(dǎo)通電阻也越大（以耐壓值的約2~2.5次方的比例增加），因此600V以上的電壓中主要采用IGBT（絕緣柵極雙極型晶體管）。

IGBT通過電導(dǎo)率調(diào)制，向漂移層內(nèi)注入作為少數(shù)載流子的空穴，因此導(dǎo)通電阻比MOSFET還要小，但是同時由于少數(shù)載流子的積聚，在Turn-off時會產(chǎn)生尾電流，從而造成極大的開關(guān)損耗。

SiC器件漂移層的阻抗比Si器件低，不需要進(jìn)行電導(dǎo)率調(diào)制就能夠以MOSFET實現(xiàn)高耐壓和低阻抗。

而且MOSFET原理上不產(chǎn)生尾電流，所以用SiC-MOSFET替代IGBT時，能夠明顯地減少開關(guān)損耗，并且實現(xiàn)散熱部件的小型化。

另外，SiC-MOSFET能夠在IGBT不能工作的高頻條件下驅(qū)動，從而也可以實現(xiàn)無源器件的小型化。

與600V~900V的Si-MOSFET相比，SiC-MOSFET的優(yōu)勢在于芯片面積小（可實現(xiàn)小型封裝），而且體二極管的恢復(fù)損耗非常小。

主要應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器電源、高效率功率調(diào)節(jié)器的逆變器或轉(zhuǎn)換器中。

2. 標(biāo)準(zhǔn)化導(dǎo)通電阻

SiC的絕緣擊穿場強(qiáng)是Si的10倍，所以能夠以低阻抗、薄厚度的漂移層實現(xiàn)高耐壓。

因此，在相同的耐壓值情況下，SiC可以得到標(biāo)準(zhǔn)化導(dǎo)通電阻（單位面積導(dǎo)通電阻）更低的器件。

例如900V時，SiC-MOSFET的芯片尺寸只需要Si-MOSFET的35分之1、SJ-MOSFET的10分之1，就可以實現(xiàn)相同的導(dǎo)通電阻。

不僅能夠以小封裝實現(xiàn)低導(dǎo)通電阻，而且能夠使門極電荷量Qg、結(jié)電容也變小。

SJ-MOSFET只有900V的產(chǎn)品，但是SiC卻能夠以很低的導(dǎo)通電阻輕松實現(xiàn)1700V以上的耐壓。

因此，沒有必要再采用IGBT這種雙極型器件結(jié)構(gòu)（導(dǎo)通電阻變低，則開關(guān)速度變慢），就可以實現(xiàn)低導(dǎo)通電阻、高耐壓、快速開關(guān)等各優(yōu)點兼?zhèn)涞钠骷?/span>

3. VD - ID特性

SiC-MOSFET與IGBT不同，不存在開啟電壓，所以從小電流到大電流的寬電流范圍內(nèi)都能夠?qū)崿F(xiàn)低導(dǎo)通損耗。

而Si-MOSFET在150°C時導(dǎo)通電阻上升為室溫條件下的2倍以上，與Si-MOSFET不同，SiC-MOSFET的上升率比較低，因此易于熱設(shè)計，且高溫下的導(dǎo)通電阻也很低。

※該數(shù)據(jù)是ROHM在相同條件下測試的結(jié)果，僅供參考。此處表示的特性本文不做任何保證。

4. 驅(qū)動門極電壓和導(dǎo)通電阻

SiC-MOSFET的漂移層阻抗比Si-MOSFET低，但是另一方面，按照現(xiàn)在的技術(shù)水平，SiC-MOSFET的MOS溝道部分的遷移率比較低，所以溝道部的阻抗比Si器件要高。

因此，越高的門極電壓，可以得到越低的導(dǎo)通電阻（VCS=20V以上則逐漸飽和）。

如果使用一般IGBT和Si-MOSFET使用的驅(qū)動電壓VGS=10~15V不能發(fā)揮出SiC本來的低導(dǎo)通電阻的性能，所以為了得到充分的低導(dǎo)通電阻，推薦使用VGS=18V左右進(jìn)行驅(qū)動。

三、SiC SBD詳解

1. 器件結(jié)構(gòu)和特征

SiC能夠以高頻器件結(jié)構(gòu)的SBD（肖特基勢壘二極管）結(jié)構(gòu)得到600V以上的高耐壓二極管（Si的SBD最高耐壓為200V左右）。

因此，如果用SiC-SBD替換現(xiàn)在主流產(chǎn)品快速PN結(jié)二極管（FRD:快速恢復(fù)二極管），能夠明顯減少恢復(fù)損耗。

有利于電源的高效率化，并且通過高頻驅(qū)動實現(xiàn)電感等無源器件的小型化，而且可以降噪。廣泛應(yīng)用于空調(diào)、電源、光伏發(fā)電系統(tǒng)中的功率調(diào)節(jié)器、電動汽車的快速充電器等的功率因數(shù)校正電路（PFC電路）和整流橋電路中。

2. SiC-SBD的正向特性

SiC-SBD的開啟電壓與Si-FRD相同，小于1V。

開啟電壓由肖特基勢壘的勢壘高度決定，通常如果將勢壘高度設(shè)計得低，開啟電壓也可以做得低一些，但是這也將導(dǎo)致反向偏壓時的漏電流增大。

ROHM的第二代SBD通過改進(jìn)制造工藝，成功地使漏電流和恢復(fù)性能保持與舊產(chǎn)品相等，而開啟電壓降低了約0.15V。

3. SiC-SBD的恢復(fù)特性

Si的快速PN結(jié)二極管（FRD:快速恢復(fù)二極管）在從正向切換到反向的瞬間會產(chǎn)生極大的瞬態(tài)電流，在此期間轉(zhuǎn)移為反向偏壓狀態(tài)，從而產(chǎn)生很大的損耗。

這是因為正向通電時積聚在漂移層內(nèi)的少數(shù)載流子不斷地進(jìn)行電傳導(dǎo)直到消亡（該時間也稱為積聚時間）。

正向電流越大，或者溫度越高，恢復(fù)時間和恢復(fù)電流就越大，從而損耗也越大。

與此相反，SiC-SBD是不使用少數(shù)載流子進(jìn)行電傳導(dǎo)的多數(shù)載流子器件（單極性器件），因此原理上不會發(fā)生少數(shù)載流子積聚的現(xiàn)象。由于只產(chǎn)生使結(jié)電容放電程度的小電流，所以與Si-FRD相比，能夠明顯地減少損耗。而且，該瞬態(tài)電流基本上不隨溫度和正向電流而變化，所以不管何種環(huán)境下，都能夠穩(wěn)定地實現(xiàn)快速恢復(fù)。

另外，還可以降低由恢復(fù)電流引起的噪音，達(dá)到降噪的效果。

來源：ROHM

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