碳化硅SiC MOSFET器件的结构及特性

SiC功率MOSFET内部晶胞单元的结构，主要有二种：平面结构和沟槽结构。平面SiC MOSFET的结构，如图1所示。这种结构的特点是工艺简单，单元的一致性较好，雪崩能量比较高。但是，这种结构的中间，N区夹在两个P区域之间，当电流被限制在靠近P体区域的狭窄的N区中流过时，将产生JFET效应，从而增加通态电阻;同时，这种结构的寄生电容也较大。

 

 

图1：平面SiC MOSFET的结构

沟槽SiC MOSFET的结构，如图2所示。这种结构将栅极埋入基体中，形成垂直的沟道，由于要开沟槽，工艺变得复杂，单元的一致性、雪崩能量比平面结构差。但是，由于这种结构可以增加单元密度，没有JFET效应，沟道晶面实现最佳的沟道迁移率，导通电阻比平面结构要明显的降低;同时，寄生电容更小，开关速度快，开关损耗非常低，因此，新一代的结构都研究和采用这种结构。

 

 

图2：沟槽SiC MOSFET的结构

沟槽结构SiC MOSFET最主要的问题在于，由于器件工作在高压状态，内部的工作电场强度高，尤其是沟槽底部，工作电场强度非常更高，很容易在局部超过最大的临界电场强度，从而产生局部的击穿，影响器件工作的可靠性，如图3所示。

 

 

图3：沟槽SiC MOSFET结构内部工作电场

因此，新一代的SiC MOSFET沟槽结构，技术演进的方向都是如何减小沟槽底部的工作电场强度，比如Rohm的双沟槽结构、Infineon的非对称沟槽结构，等等，

碳化硅MOSFET的特性

与氮化镓晶体管类似，碳化硅MOSFET同样具有导通电阻小，寄生参数小等特点，另外其体二极管特性也比硅MOSFET大为提升。英飞凌碳化硅650V 耐压MOSFET CoolSiC与目前业界体二极管性能最好的硅材料功率MOSFET CoolMOS CFD7的两项主要指标RDS(on)*Qrr和RDS(on)*Qoss的对比，前一项是衡量体二极管反向恢复特性的指标，后一项是衡量MOSFET输出电容上存储的电荷量的指标。这两项数值越小，表明反向恢复特性越好，存储的电荷越低(软开关拓扑中，半桥结构上下功率管所需要的死区越短)。可以看出，碳化硅MOSFET相比相近导通电阻的硅MOSFET，反向恢复电荷只有1/6左右，输出电容上的电荷只有1/5左右。因此碳化硅MOSFET特别适合于体二极管会被硬关断的拓扑(例如电流连续模式图腾柱无桥PFC)及软开关拓扑(LLC，移相全桥等)。

碳化硅MOSFET还有一项出众的特性：短路能力。相比硅MOSFET短路时间大大提升，这对于变频器等马达驱动应用非常重要。

综合整理自松哥电源、玩转嵌入式