电子元器件基础知识—SiC,您真的了解吗?

前言

在Tech Web的“基础知识”里新添加了关于“功率元器件”的记述。近年来，使用“功率元器件”或“功率半导体”等说法，以大功率低损耗为目的二极管和晶体管等分立（分立半导体）元器件备受瞩目。这是因为，为了应对全球共通的 “节能化”和“小型化”课题，需要高效率高性能的功率元器件。

然而，最近经常听到的“功率元器件”，具体来说是基于什么定义来分类的呢？恐怕是没有一个明确的分类的，但是，可按以高电压大功率的AC/DC转换和功率转换为目的的二极管和MOSFET，以及作为电源输出段的功率模块等来分类等等。

在这里，分以下二个方面进行阐述：一是以传统的硅半导体为基础的“硅（Si）功率元器件”，另一是与Si半导体相比，损耗更低，高温环境条件下工作特性优异，有望成为新一代低损耗元件的“碳化硅（SiC）功率元器件”。SiC半导体已经开始实际应用，并且还应用在对品质可靠性要求很严苛的车载设备上。提起SiC，可能在有些人的印象中是使用在大功率的特殊应用上的，但是实际上，它却是在我们身边的应用中对节能和小型化贡献巨大的功率元器件。

SiC功率元器件

关于SiC功率元器件，将分以下4部分进行讲解。

SiC是在热、化学、机械方面都非常稳定的化合物半导体，对于功率元器件来说的重要参数都非常优异。作为元件，具有优于Si半导体的低阻值，可以高速工作，高温工作，能够大幅度削减从电力传输到实际设备的各种功率转换过程中的能量损耗。

SiC半导体的功率元器件SiC-SBD（肖特基势垒二极管）和SiC-MOSFET已于2010年＊1量产出货，SiC的MOSFET和SBD的“全SiC”功率模块也于2012年＊1实现量产。此时，第二代元器件也已量产，发展速度很快。　（＊1：ROHM在日本国内或世界实现首家量产）

最初的章节将面向还没有熟悉SiC的工程师、以SiC的物理特性和优点为基础进行解说。后续，将针对SiC-SBD和SiC-MOSFET，穿插与Si元器件的比较对其特性和使用方法的不同等进行解说，并介绍几个采用事例。

全SiC模块是作为电源段被优化的模块，具有很多优点。将在其特征的基础上，对其在实际应用中的具体活用要点进行解说。

由于SiC功率元器件在节能和小型化方面非常有效，因此，希望在这里能加深对元器件的了解，以帮助大家更得心应手地使用它。

何谓碳化硅

碳化硅（SiC）是比较新的半导体材料。一开始，我们先来了解一下它的物理特性和特征。

SiC的物理特性和特征

SiC是由硅(Si)和碳(C)组成的化合物半导体材料。其结合力非常强，在热、化学、机械方面都非常稳定。SiC存在各种多型体（多晶型体），它们的物理特性值各有不同。4H-SiC最适用于功率元器件。下表为Si和近几年经常听到的半导体材料的比较。

3英寸4H-SiC晶圆

表中黄色高亮部分是Si与SiC的比较。蓝色部分是用于功率元器件时的重要参数。如数值所示，SiC的这些参数颇具优势。另外，与其他新材料不同，它的一大特征是元器件制造所需的p型、n型控制范围很广，这点与Si相同。基于这些优势，SiC作为超越Si限制的功率元器件用材料备受期待。

SiC的物理特性和特征

SiC比Si的绝缘击穿场强高约10倍，可耐600V～数千V的高压。此时，与Si元器件相比,可提高杂质浓度，且可使膜厚的漂移层变薄。高耐压功率元器件的电阻成分大多是漂移层的电阻，阻值与漂移层的厚度成比例增加。因为SiC的漂移层可以变薄，所以可制作单位面积的导通电阻非常低的高耐压元器件。理论上,只要耐压相同，与Si相比,SiC的单位面积漂移层电阻可低至1/300。

Si 功率元器件为改善高耐压化产生的导通电阻増大问题，主要使用IGBT（绝缘栅极双极晶体管）等少数载流子元器件（双极元器件）。但因为开关损耗大而具有发热问题，实现高频驱动存在界限。由于SiC能使肖特基势垒二极管和MOSFET等高速多数载流子元器件的耐压更高，因此能够同时实现 “高耐压”、“低导通电阻”、“高速”。

此时，带隙是Si的约3倍，能够在更高温度下工作。现在，受封装耐热性的制约可保证150℃～175℃的工作温度，但随着封装技术的发展将能达到200℃以上。

以上简略介绍了一些要点,对于没有物理特性和工艺基础的人来说可能有些难，但请放心,即使不理解上述内容也能使用SiC功率元器件。

SiC功率元器件的开发背景和优点

前面对SiC的物理特性和SiC功率元器件的特征进行了介绍。SiC功率元器件具有优于Si功率元器件的更高耐压、更低导通电阻、可更高速工作,且可在更高温条件下工作。接下来将针对SiC的开发背景和具体优点进行介绍。

SiC功率元器件的开发背景

之前谈到，通过将SiC应用到功率元器件上，实现以往Si功率元器件无法实现的低损耗功率转换。不难发现这是SiC使用到功率元器件上的一大理由。其背景是为了促进解决全球节能课题。

以低功率DC/DC转换器为例，随着移动技术的发展，超过90 %的转换效率是很正常的，然而高电压、大电流的AC/DC转换器的效率还存在改善空间。众所周知，以EU为主的相关节能指令强烈要求电气/电子设备实现包括消减待机功耗在内的节能目标。

在这种背景下，削减功率转换时产生的能耗是当务之急。不用说，必须将超过Si极限的物质应用于功率元器件。

例如，利用SiC功率元器件可以比IGBT的开关损耗降低85%。如该例所示，毫无疑问，SiC功率元器件将成为能源问题的一大解决方案。

SiC的优点

如前文所述，利用SiC可以大幅度降低能量损耗。当然，这是SiC很大的优点，接下来希望再了解一下低阻值、高速工作、高温工作等SiC的特征所带来的优势。

通过与Si的比较来进行介绍。”低阻值”可以单纯解释为减少损耗，但阻值相同的话就可以缩小元件（芯片）的面积。应对大功率时，有时会使用将多个晶体管和二极管一体化的功率模块。例如，SiC功率模块的尺寸可达到仅为Si的1/10左右。

关于“高速工作”，通过提高开关频率，变压器、线圈、电容器等周边元件的体积可以更小。实际上有能做到原有1/10左右的例子。

“高温工作”是指容许在更高温度下的工作，可以简化散热器等冷却机构。

如上所述，可使用SiC来改进效率或应对更大功率。而以现状的电力情况来说，通过使用SiC可实现显著小型化也是SiC的一大优点。不仅直接节能，与放置场所和运输等间接节能相关的小型化也是重要课题之一。

审核编辑 黄昊宇