碳化硅材料的特性和优势分析

描述

碳化硅半导体

一、碳化硅材料的特性

SiC(碳化硅)是由硅(Si)和碳(C)组成的化合物半导体。与 Si 相比,SiC 具有十倍的介电击穿场强、三倍的带隙和三倍的热导率。在半导体材料中形成器件结构所必需的 p 型和 n 型区域都可以在 SiC 中形成。这些特性使 SiC 成为一种极具吸引力的材料,可用于制造性能远远超过其 Si 同类产品的功率器件。SiC 器件可以承受更高的击穿电压,具有更低的电阻率,并且可以在更高的温度下工作。

SiC 以多种多晶型晶体结构存在,称为多型,例如 3C-SiC、6H-SiC、4H-SiC。目前4H-SiC在实际功率器件制造中通常是首选。直径为3英寸至6英寸的单晶4H-SiC晶片可商购获得。

碳化硅

图 1 碳化硅材料的特性

2. 功率器件应用碳化硅材料的优势

介电击穿场强比Si高约10倍。可以将 SiC 器件制成具有更薄的漂移层和/或更高的掺杂浓度,即,它们具有非常高的击穿电压(600V 及更高),并且相对于硅器件具有非常低的电阻。高压器件的电阻主要由漂移区的宽度决定。理论上,在相同击穿电压下,与Si相比,SiC可以将漂移层的单位面积电阻降低到1/300。

用于高压、大电流应用的最流行的硅功率器件是 IGBT(绝缘栅双极晶体管)。使用 IGBT,以牺牲开关性能为代价实现了高击穿电压下的低电阻。少数载流子被注入漂移区以降低传导(导通)电阻。当晶体管关断时,这些载流子重新结合和“消散”需要时间,从而增加开关损耗和时间。相比之下,MOSFET 是多数载流子器件。利用SiC较高的击穿场和较高的载流子浓度,SiC MOSFET因此可以结合功率开关的所有三个理想特性,即高电压、低导通电阻和快速开关速度。

更大的带隙也意味着 SiC 器件可以在更高的温度下工作。当前 SiC 器件的保证工作温度为 150 摄氏度 – 175 摄氏度。这主要是由于封装的热可靠性。如果包装得当,它们可以在 200 摄氏度或更高的温度下运行。

碳化硅肖特基势垒二极管 (SBD) 的特性

击穿电压为 600V(远远超过硅 SBD 的上限)及以上的 SiC SBD(肖特基势垒二极管)很容易获得。与硅 FRD(快速恢复二极管)相比,SiC SBD 具有低得多的反向恢复电流和恢复时间,因此显着降低了恢复损耗和噪声发射。此外,与硅 FRD 不同,这些特性在电流和工作温度范围内不会发生显着变化。SiC SBD 使系统设计人员能够提高效率、降低散热器的成本和尺寸、增加开关频率以减小磁性元件的尺寸及其成本等。

SiC-SBD 越来越多地应用于开关电源中的功率因数校正器 (PFC) 和二次侧桥式整流器等电路。今天的应用是空调、太阳能空调、电动汽车充电器、工业设备等。

ROHM目前的SiC SBD阵容包括600V和1,200V;额定电流范围为 5A 至 40A。1,700V 设备正在开发中。

碳化硅

图 2 SiC SBD 的特性

编辑:hfy

打开APP阅读更多精彩内容
声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉

全部0条评论

快来发表一下你的评论吧 !

×
20
完善资料,
赚取积分