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　　碳化硅（SiC）是一種由硅（Si）和碳（C）組成的半導(dǎo)體化合物，屬于寬帶隙（WBG）材料家族。它的物理鍵非常牢固，使半導(dǎo)體具有很高的機(jī)械、化學(xué)和熱穩(wěn)定性。寬帶隙和高熱穩(wěn)定性使SiC器件能夠在高于硅的結(jié)溫下使用，甚至超過200°C。碳化硅在電源應(yīng)用中的主要優(yōu)勢(shì)是其低漂移區(qū)域電阻，這是高壓功率器件的關(guān)鍵因素。[這里是“關(guān)于氮化鎵的10件事”]

　　基于SiC的功率器件正在推動(dòng)電力電子學(xué)的根本變革，這要?dú)w功于出色的物理和電子特性的結(jié)合。盡管這種材料早已為人所知，但它作為半導(dǎo)體的使用是相對(duì)較新的，這在很大程度上是由于大型和高質(zhì)量晶圓的可用性。近幾十年來，人們的努力集中在開發(fā)特定且獨(dú)特的高溫晶體生長(zhǎng)工藝上。雖然SiC具有不同的多晶型晶體結(jié)構(gòu)（也稱為多晶型），但4H-SiC多型六方晶體結(jié)構(gòu)最適合高功率應(yīng)用。1英寸碳化硅晶圓如圖所示。

　　碳化硅的主要特性是什么？

　　硅與碳的結(jié)合為這種材料提供了出色的機(jī)械、化學(xué)和熱性能，包括：

　　高導(dǎo)熱性

　　低熱膨脹和出色的抗熱震性

　　低功耗和開關(guān)損耗

　　高能效

　　高工作頻率和溫度（工作結(jié)點(diǎn)高達(dá)200°C）

　　芯片尺寸小（擊穿電壓相同）

　　本征體二極管（MOSFET器件）

　　出色的熱管理，可降低冷卻要求

　　使用壽命長(zhǎng)

　　碳化硅在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用有哪些？

　　碳化硅是一種非常適合電源應(yīng)用的半導(dǎo)體，這首先要?dú)w功于其承受高電壓的能力，比硅可用的電壓高十倍。基于碳化硅的半導(dǎo)體具有更高的導(dǎo)熱性、更高的電子遷移率和更低的功率損耗。SiC二極管和晶體管也可以在更高的頻率和溫度下工作，而不會(huì)影響可靠性。SiC器件（如肖特基二極管和FET/MOSFET晶體管）的主要應(yīng)用包括轉(zhuǎn)換器、逆變器、電源、電池充電器和電機(jī)控制系統(tǒng)。

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　　為什么碳化硅在電源應(yīng)用中克服了硅？

　　盡管硅是電子產(chǎn)品中使用最廣泛的半導(dǎo)體，但它開始顯示出一些局限性，尤其是在高功率應(yīng)用中。這些應(yīng)用中的一個(gè)相關(guān)因素是半導(dǎo)體提供的帶隙或能隙。當(dāng)帶隙很高時(shí)，它使用的電子設(shè)備可以更小，運(yùn)行更快，更可靠。它還可以在比其他半導(dǎo)體更高的溫度、電壓和頻率下工作。雖然硅的帶隙約為1.12eV，但碳化硅的值幾乎是3.26eV的三倍。

　　為什么碳化硅可以處理如此高的電壓？

　　功率器件，尤其是MOSFET，必須能夠處理極高的電壓。由于電場(chǎng)的介電擊穿強(qiáng)度比硅高約十倍，SiC可以達(dá)到非常高的擊穿電壓，從600V到幾千伏。SiC可以使用比硅更高的摻雜濃度，并且漂移層可以做得非常薄。漂移層越薄，其電阻越低。理論上，在高電壓下，每單位面積漂移層的電阻可以降低到硅的1/300。

　　為什么碳化硅在高頻下的性能優(yōu)于IGBT？

　　在大功率應(yīng)用中，IGBT和雙極晶體管過去大多使用，目的是降低高擊穿電壓下產(chǎn)生的導(dǎo)通電阻。然而，這些器件具有顯著的開關(guān)損耗，導(dǎo)致發(fā)熱問題，限制了它們?cè)诟哳l下的使用。使用SiC，可以制造肖特基勢(shì)壘二極管和MOSFET等器件，以實(shí)現(xiàn)高電壓，低導(dǎo)通電阻和快速操作。

　　哪些雜質(zhì)用于摻雜碳化硅材料？

　　在其純粹形式中，碳化硅的行為類似于電絕緣體。通過控制雜質(zhì)或摻雜劑的添加，SiC可以像半導(dǎo)體一樣工作。P型半導(dǎo)體可以通過摻雜鋁，硼或鎵來獲得，而氮和磷的雜質(zhì)會(huì)產(chǎn)生N型半導(dǎo)體。碳化硅在某些條件下具有導(dǎo)電的能力，但在其他條件下則不然，這取決于紅外輻射、可見光和紫外線的電壓或強(qiáng)度等因素。與其他材料不同，碳化硅能夠在很寬的范圍內(nèi)控制器件制造所需的P型和N型區(qū)域。由于這些原因，SiC是一種適用于功率器件的材料，能夠克服硅提供的局限性。

　　SiC如何實(shí)現(xiàn)比硅更好的熱管理？

　　另一個(gè)重要參數(shù)是導(dǎo)熱率，它是半導(dǎo)體如何能夠散發(fā)其產(chǎn)生的熱量的指標(biāo)。如果半導(dǎo)體不能有效地散熱，則會(huì)對(duì)器件可以承受的最大工作電壓和溫度施加限制。這是碳化硅優(yōu)于硅的另一個(gè)領(lǐng)域：碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)為1490 W/m-K，而硅提供的導(dǎo)熱系數(shù)為150 W/m-K。

　　與Si-MOSFET相比，SiC反向恢復(fù)時(shí)間如何？

　　與硅MOSFET一樣，SiC MOSFET具有內(nèi)部體二極管。體二極管的主要限制之一是不希望的反向恢復(fù)行為，當(dāng)二極管在攜帶正正向電流的同時(shí)關(guān)閉時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種行為。因此，反向恢復(fù)時(shí)間（trr）成為定義MOSFET特性的重要指標(biāo)。圖2顯示了1000V Si基MOSFET和SiC基MOSFET的trr比較。可以看出，SiC MOSFET的體二極管非常快：trr和irr的值非常小，可以忽略不計(jì)，能量損失Err大大降低。

　　為什么軟關(guān)斷對(duì)短路保護(hù)很重要？

　　SiC MOSFET的另一個(gè)重要參數(shù)是短路耐受時(shí)間（SCWT）。由于SiC MOSFET占用芯片的非常小的面積并且具有高電流密度，因此其承受可能導(dǎo)致熱斷裂的短路的能力往往低于硅基器件。例如，對(duì)于采用TO1封裝的2.247kV MOSFET，Vdd=700V和Vgs=18V時(shí)的短路耐受時(shí)間約為8-10μs。隨著Vgs的降低，飽和電流減小，耐受時(shí)間增加。隨著Vdd的降低，產(chǎn)生的熱量更少，耐受時(shí)間更長(zhǎng)。由于關(guān)斷SiC MOSFET所需的時(shí)間非常短，當(dāng)關(guān)斷速率Vgs較高時(shí)，高dI/dt會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電壓尖峰。因此，應(yīng)使用軟關(guān)斷來逐漸降低柵極電壓，避免過壓峰值。

　　為什么隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器是更好的選擇？

　　許多電子設(shè)備既是低壓電路又是高壓電路，相互連接以執(zhí)行控制和電源功能。例如，牽引逆變器通常包括低壓初級(jí)側(cè)（電源、通信和控制電路）和次級(jí)側(cè)（高壓電路、電機(jī)、功率級(jí)和輔助電路）。位于初級(jí)側(cè)的控制器通常使用來自高壓側(cè)的反饋信號(hào)，如果沒有隔離柵，則容易受到損壞。隔離柵將電路從初級(jí)側(cè)電氣隔離到次級(jí)側(cè)，形成單獨(dú)的接地參考，實(shí)現(xiàn)所謂的電流隔離。這可以防止不需要的AC或DC信號(hào)從一側(cè)傳輸?shù)搅硪粋?cè)，從而導(dǎo)致電源組件損壞。

　




審核編輯：劉清