碳化硅材料的特性和优势分析

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。

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。

图 2 SiC SBD 的特性

编辑：hfy