一文看懂SiC功率器件

一、什么是SiC半導體？

1. SiC材料的物性和特征

SiC（碳化硅）是一種由Si（硅）和C（碳）構成的化合物半導體材料。不僅絕緣擊穿場強是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控制必要的p型、n型，所以被認為是一種超越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的絕緣擊穿場強是Si的10倍，因此與Si器件相比，能夠以具有更高的雜質濃度和更薄的厚度的漂移層作出600V～數千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）等少數載流子器件（雙極型器件），但是卻存在開關損耗大的問題，其結果是由此產生的發熱會限制IGBT的高頻驅動。SiC材料卻能夠以高頻器件結構的多數載流子器件（肖特基勢壘二極管和MOSFET）去實現高耐壓，從而同時實現 "高耐壓"、"低導通電阻"、"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定工作。

二、SiC-MOSFET詳解

1. 器件結構和特征

Si材料中越是高耐壓器件，單位面積的導通電阻也越大（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通過電導率調制，向漂移層內注入作為少數載流子的空穴，因此導通電阻比MOSFET還要小，但是同時由于少數載流子的積聚，在Turn-off時會產生尾電流，從而造成極大的開關損耗。

SiC器件漂移層的阻抗比Si器件低，不需要進行電導率調制就能夠以MOSFET實現高耐壓和低阻抗。

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

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

與600V~900V的Si-MOSFET相比，SiC-MOSFET的優勢在于芯片面積?。蓪崿F小型封裝），而且體二極管的恢復損耗非常小。

主要應用于工業機器電源、高效率功率調節器的逆變器或轉換器中。

2. 標準化導通電阻

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

因此，在相同的耐壓值情況下，SiC可以得到標準化導通電阻（單位面積導通電阻）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，就可以實現相同的導通電阻。

不僅能夠以小封裝實現低導通電阻，而且能夠使門極電荷量Qg、結電容也變小。

SJ-MOSFET只有900V的產品，但是SiC卻能夠以很低的導通電阻輕松實現1700V以上的耐壓。

因此，沒有必要再采用IGBT這種雙極型器件結構（導通電阻變低，則開關速度變慢），就可以實現低導通電阻、高耐壓、快速開關等各優點兼備的器件。

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都能夠實現低導通損耗。

而Si-MOSFET在150°C時導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，因此易于熱設計，且高溫下的導通電阻也很低。

※該數據是ROHM在相同條件下測試的結果，僅供參考。此處表示的特性本文不做任何保證。

4. 驅動門極電壓和導通電阻

SiC-MOSFET的漂移層阻抗比Si-MOSFET低，但是另一方面，按照現在的技術水平，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使用的驅動電壓VGS=10~15V不能發揮出SiC本來的低導通電阻的性能，所以為了得到充分的低導通電阻，推薦使用VGS=18V左右進行驅動。

三、SiC SBD詳解

1. 器件結構和特征

SiC能夠以高頻器件結構的SBD（肖特基勢壘二極管）結構得到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替換現在主流產品快速PN結二極管（FRD:快速恢復二極管），能夠明顯減少恢復損耗。

有利于電源的高效率化，并且通過高頻驅動實現電感等無源器件的小型化，而且可以降噪。廣泛應用于空調、電源、光伏發電系統中的功率調節器、電動汽車的快速充電器等的功率因數校正電路（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計得低，開啟電壓也可以做得低一些，但是這也將導致反向偏壓時的漏電流增大。

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

3. SiC-SBD的恢復特性

Si的快速PN結二極管（FRD:快速恢復二極管）在從正向切換到反向的瞬間會產生極大的瞬態電流，在此期間轉移為反向偏壓狀態，從而產生很大的損耗。

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

正向電流越大，或者溫度越高，恢復時間和恢復電流就越大，從而損耗也越大。

與此相反，SiC-SBD是不使用少數載流子進行電傳導的多數載流子器件（單極性器件），因此原理上不會發生少數載流子積聚的現象。由于只產生使結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，該瞬態電流基本上不隨溫度和正向電流而變化，所以不管何種環境下，都能夠穩定地實現快速恢復。

另外，還可以降低由恢復電流引起的噪音，達到降噪的效果。

來源：ROHM

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