SiC 半导体材料及器件的特征

SiC 功率器件的特征

SiC 的绝缘击穿场强大约是Si 的10 倍，因此与Si 器件相比，能够以具有更高的杂质浓度和更薄的厚度的漂移层制作出600V～数千V 的高耐压功率器件。高耐压功率器件的阻抗主要由该漂移层的阻抗组成，因此采用SiC 可以得到单位面积导通电阻非常低的高耐压器件。理论上，相同耐压的器件，SiC 的单位面积的漂移层阻抗可以降低到Si 的1/300。而Si 材料中，为了改善伴随高耐压化而引起的导通电阻增大的问题，主要采用如IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor: 绝缘栅极双极型晶体管) 等少数载流子器件(双极型器件)，但是却存在开关损耗大的问题，其结果是由此产生的发热会限制IGBT 的高频驱动。SiC 材料却能够以高频器件结构的多数载流子器件(肖特基势垒二极管和MOSFET)去实现高耐压，从而同时实现“高耐压”、“低导通电阻”、“高频”这三个特性。另外，带隙较宽，是Si 的3 倍，因此SiC 功率器件即使在高温下也可以稳定工作（目前由于受到封装的耐热可靠性限制，只保证150℃～175℃，但是随着未来封装技术的发展，也可以保证200℃以上的温度）。转载请注明出处 http://www.igbt8.com
作为一种宽禁带半导体材料，SiC对功率半导体可以说是一个冲击。这种材料不但击穿电场强度高、热稳定性好，还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高等特 点。具体来看，其导热性能是Si材料的3倍以上；在相同反压下，SiC材料的击穿电场强度比Si高10倍，而内阻仅是Si片的百分之一。SiC器件的工作 温度可以达到600℃，而一般的Si器件最多能坚持到150℃。
因为这些特性，SiC可以用来制造各种耐高温的高频大功率器件，应用于Si 器件难以胜任的场合。以SiC肖特基二极管为例，它是速度最快的高压肖特基二极管，无需反向恢复充电，可大幅降低开关损耗、提高开关频率，适用于比采用硅 技术的肖特基二极管高得多的操作电压范围，例如，600V SiC肖特基二极管可以用在SMPS中，300V SiC肖特基二极管可以用作48~60V快速输出开关电源的整流二极管，而1，200V SiC肖特基二极管与硅IGBT组合后可以作为理想的续流二极管。
采用硅材料的MOSFET在提高器件阻断电压时，必须加宽器件的漂移区，这会使其内阻迅速增大，压降增高，损耗增大。阻断电压范围在 1，200~1，800V的硅MOSFET不仅体积大，而且价格昂贵。IGBT虽然在高压应用时可降低导通功耗，但若开关频率增加时，开关功耗亦随之增 大。因此IGBT在高频开关电源上亦有其本身的限制。而用SiC做衬底的MOSFET，可轻易做到1，000～2，000伏的MOSFET，其开关特性 （结电容值，开关损耗，开关波型等）则与100多伏的硅MOSFET相若，导通电阻更可低至毫欧值。在高压开关电源应用上，完全可取代硅IGBT并可提高 系统的整体效率以及开关频率。
单就Si器件和SiC器件的价差来看，确实有较大的差异，但如果从SiC器件带来的系统性能提升来看，将会发现其带来的总体效益远远超过两类器件的价差。在SiC特别适合的高压应用中，如果充分发挥SiC器件的特性，这一整体优势表现得非常明显。
具 体来看，其整体优势主要体现在下面几个方面：一是SiC功率器件带来开关损耗的大幅降低，可以大大提高系统的效率；二是因为SiC器件无反向恢复、散热性 能好等特点，减少周边器件的使用或者采用体积较小的器件，线路也得到优化，从而在整体上缩减了系统尺寸；最后，因为效率提高、器件精简从而获得了系统整体 成本的节约。转载请注明出处 http://www.igbt8.com