一文看懂SiC功率器件

一、什么是SiC半导体？

 

1. SiC材料的物性和特征

SiC（碳化硅）是一种由Si（硅）和C（碳）构成的化合物半导体材料。不仅绝缘击穿场强是Si的10倍，带隙是Si的3倍，而且在器件制作时可以在较宽范围内控制必要的p型、n型，所以被认为是一种超越Si极限的功率器件材料。

SiC中存在各种多型体（结晶多系），它们的物性值也各不相同。用于功率器件制作，4H-SiC最为合适。

 

2. 功率器件的特征

SiC的绝缘击穿场强是Si的10倍，因此与Si器件相比，能够以具有更高的杂质浓度和更薄的厚度的漂移层作出600V～数千V的高耐压功率器件。高耐压功率器件的阻抗主要由该漂移层的阻抗组成，因此采用SiC可以得到单位面积导通电阻非常低的高耐压器件。

理论上，相同耐压的器件，SiC的单位面积的漂移层阻抗可以降低到Si的1/300。而Si材料中，为了改善伴随高耐压化而引起的导通电阻增大的问题，主要采用如IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor : 绝缘栅极双极型晶体管）等少数载流子器件（双极型器件），但是却存在开关损耗大的问题，其结果是由此产生的发热会限制IGBT的高频驱动。SiC材料却能够以高频器件结构的多数载流子器件（肖特基势垒二极管和MOSFET）去实现高耐压，从而同时实现 "高耐压"、"低导通电阻"、"高频" 这三个特性。

另外，带隙较宽，是Si的3倍，因此SiC功率器件即使在高温下也可以稳定工作。

 

二、SiC-MOSFET详解

 

1. 器件结构和特征

Si材料中越是高耐压器件，单位面积的导通电阻也越大（以耐压值的约2~2.5次方的比例增加），因此600V以上的电压中主要采用IGBT（绝缘栅极双极型晶体管）。

IGBT通过电导率调制，向漂移层内注入作为少数载流子的空穴，因此导通电阻比MOSFET还要小，但是同时由于少数载流子的积聚，在Turn-off时会产生尾电流，从而造成极大的开关损耗。

SiC器件漂移层的阻抗比Si器件低，不需要进行电导率调制就能够以MOSFET实现高耐压和低阻抗。

而且MOSFET原理上不产生尾电流，所以用SiC-MOSFET替代IGBT时，能够明显地减少开关损耗，并且实现散热部件的小型化。

另外，SiC-MOSFET能够在IGBT不能工作的高频条件下驱动，从而也可以实现无源器件的小型化。

与600V~900V的Si-MOSFET相比，SiC-MOSFET的优势在于芯片面积小（可实现小型封装），而且体二极管的恢复损耗非常小。

主要应用于工业机器电源、高效率功率调节器的逆变器或转换器中。

 

2. 标准化导通电阻

SiC的绝缘击穿场强是Si的10倍，所以能够以低阻抗、薄厚度的漂移层实现高耐压。

因此，在相同的耐压值情况下，SiC可以得到标准化导通电阻（单位面积导通电阻）更低的器件。

例如900V时，SiC-MOSFET的芯片尺寸只需要Si-MOSFET的35分之1、SJ-MOSFET的10分之1，就可以实现相同的导通电阻。

不仅能够以小封装实现低导通电阻，而且能够使门极电荷量Qg、结电容也变小。

SJ-MOSFET只有900V的产品，但是SiC却能够以很低的导通电阻轻松实现1700V以上的耐压。

因此，没有必要再采用IGBT这种双极型器件结构（导通电阻变低，则开关速度变慢），就可以实现低导通电阻、高耐压、快速开关等各优点兼备的器件。

 

3. VD - ID特性

SiC-MOSFET与IGBT不同，不存在开启电压，所以从小电流到大电流的宽电流范围内都能够实现低导通损耗。

而Si-MOSFET在150°C时导通电阻上升为室温条件下的2倍以上，与Si-MOSFET不同，SiC-MOSFET的上升率比较低，因此易于热设计，且高温下的导通电阻也很低。

 

※该数据是ROHM在相同条件下测试的结果，仅供参考。此处表示的特性本文不做任何保证。

 

4. 驱动门极电压和导通电阻

SiC-MOSFET的漂移层阻抗比Si-MOSFET低，但是另一方面，按照现在的技术水平，SiC-MOSFET的MOS沟道部分的迁移率比较低，所以沟道部的阻抗比Si器件要高。

因此，越高的门极电压，可以得到越低的导通电阻（VCS=20V以上则逐渐饱和）。

如果使用一般IGBT和Si-MOSFET使用的驱动电压VGS=10~15V不能发挥出SiC本来的低导通电阻的性能，所以为了得到充分的低导通电阻，推荐使用VGS=18V左右进行驱动。

 

三、SiC SBD详解

 

1. 器件结构和特征

SiC能够以高频器件结构的SBD（肖特基势垒二极管）结构得到600V以上的高耐压二极管（Si的SBD最高耐压为200V左右）。

因此，如果用SiC-SBD替换现在主流产品快速PN结二极管（FRD:快速恢复二极管），能够明显减少恢复损耗。

有利于电源的高效率化，并且通过高频驱动实现电感等无源器件的小型化，而且可以降噪。广泛应用于空调、电源、光伏发电系统中的功率调节器、电动汽车的快速充电器等的功率因数校正电路（PFC电路）和整流桥电路中。

 

2. SiC-SBD的正向特性

SiC-SBD的开启电压与Si-FRD相同，小于1V。

开启电压由肖特基势垒的势垒高度决定，通常如果将势垒高度设计得低，开启电压也可以做得低一些，但是这也将导致反向偏压时的漏电流增大。

ROHM的第二代SBD通过改进制造工艺，成功地使漏电流和恢复性能保持与旧产品相等，而开启电压降低了约0.15V。

 

3. SiC-SBD的恢复特性

Si的快速PN结二极管（FRD:快速恢复二极管）在从正向切换到反向的瞬间会产生极大的瞬态电流，在此期间转移为反向偏压状态，从而产生很大的损耗。

这是因为正向通电时积聚在漂移层内的少数载流子不断地进行电传导直到消亡（该时间也称为积聚时间）。

正向电流越大，或者温度越高，恢复时间和恢复电流就越大，从而损耗也越大。

与此相反，SiC-SBD是不使用少数载流子进行电传导的多数载流子器件（单极性器件），因此原理上不会发生少数载流子积聚的现象。由于只产生使结电容放电程度的小电流，所以与Si-FRD相比，能够明显地减少损耗。而且，该瞬态电流基本上不随温度和正向电流而变化，所以不管何种环境下，都能够稳定地实现快速恢复。

另外，还可以降低由恢复电流引起的噪音，达到降噪的效果。

 

来源：ROHM

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