由于MOSFET和IGBT的發(fā)展，基于硅的功率開(kāi)關(guān)器件使系統能夠產(chǎn)生更多的功率，同時(shí)以更高的效率工作。本文主要介紹了SiC相對于Si的特點(diǎn)和優(yōu)勢，SiC器件的工作原理，以及各種SiC功率器件的特點(diǎn)。

在當今世界，由于供熱、機器人、電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車(chē)、電力傳輸等應用的增加，對電力設備的需求在不斷增加。因此，提高高電壓、低損耗的電力設備對于提供高性能、低成本的新型電網(wǎng)應用至關(guān)重要。隨著(zhù)MOSFET和IGBT的發(fā)明，硅基功率開(kāi)關(guān)器件使系統能夠以更高的效率獲得更大的輸出。

最近的研究表明，碳化硅（SiC）器件是一種新興的技術(shù)，具有許多傳統硅材料所不具備的特性。SiC具有比Si更寬的帶隙，允許更高的電壓阻擋，并使其適合于高功率和高電壓的應用。此外，SiC還具有比Si更低的熱阻，這意味著(zhù)它可以更有效地散熱，具有更高的可靠性

SiC與Si相比的特點(diǎn)和優(yōu)勢

SiC的主要優(yōu)點(diǎn)是其較寬的帶隙，是硅的三倍。SiC的寬禁帶意味著(zhù)它可以阻擋比硅更大的電壓，使其適合用于高壓電力電子。SiC的高擊穿電壓使其非常適合大功率應用，如高壓電源逆變器和轉換器。除了寬禁帶外，SiC還具有較低的熱阻，這使其能夠更有效地散熱。這使得它非常適合熱管理是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的高溫應用。SiC的低熱阻有助于降低功率損耗，提高電力系統的效率。

 

圖1：電場(chǎng)分布示意圖

 

上面的圖說(shuō)明了在相同擊穿電壓下，SiC和Si單面突變結中的電場(chǎng)分布?？紤]到SiC的擊穿比Si高10倍，SiC功率器件的阻壓層寬度為1/10，當使用Si時(shí)，摻雜濃度應增加2個(gè)數量級。具有最小反向恢復(也稱(chēng)為低反向恢復電荷)的快速開(kāi)關(guān)是SiC功率器件的一個(gè)重要特點(diǎn)，在電力電子應用中有著(zhù)重要的好處。

在傳統的電力電子學(xué)應用中，雙極功率器件，如引腳二極管、IGBT、雙極結晶體管和晶閘管，由于具有通過(guò)少數載流子注入電導調制來(lái)降低高通阻的能力而被廣泛使用。然而，這種雙極設計也導致了少數載流子存儲，導致開(kāi)關(guān)速度慢和大的反向恢復在關(guān)閉操作。

SiC單極器件，如肖特基勢壘二極管（SBD）和場(chǎng)效應管，為這些應用提供了更好的解決方案。這些器件即使在沒(méi)有電導率調制的情況下也具有較低的導通電阻，并且具有快速的開(kāi)關(guān)速度和最小的反向恢復，使其成為中高壓應用的理想選擇。

下圖顯示了 SiC 和 Si 的單極和雙極功率器件在額定阻塞電壓方面的主要應用。圖 2 顯示了在 300V 至更高電壓范圍內 SiC 器件將如何取代 Si 器件。

圖2：碳化硅和硅的應用

SiC器件的操作

●材料開(kāi)發(fā)

SiC的研究和開(kāi)發(fā)初始化，由于需要有體和外延生長(cháng)技術(shù)的長(cháng)期運作和經(jīng)濟效益方面的生產(chǎn)。與硅不同，SiC在大氣壓下不熔化，因此必須在2200°C以上的極高溫下通過(guò)升華法生長(cháng)。隨著(zhù)生長(cháng)系統中溫度梯度控制的改善和芯片技術(shù)的進(jìn)步，直徑為4英寸、質(zhì)量可接受的單晶SiC芯片現在已經(jīng)很容易獲得。典型的生長(cháng)溫度為1600°C，生長(cháng)速率在10到50μm/h之間。生長(cháng)過(guò)程中高氮污染的問(wèn)題，通過(guò)提高C/Si的比例在氣體中使用或通過(guò)使用低壓化學(xué)氣相沉積（CVD）。

工藝開(kāi)發(fā)

SiC中雜質(zhì)的低擴散常數使得雜質(zhì)摻雜擴散不可行。因此，離子注入和生長(cháng)過(guò)程中的原位摻雜是唯一的技術(shù)用于SiC器件的制造。離子注入SiC最顯著(zhù)的方面是在極高的溫度下進(jìn)行離子注入后退火。注入后退火所需的高溫使離子注入成為SiC器件制造的第一步。盡管受到高溫退火，注入的原子經(jīng)歷非常小的擴散。

各種SiC功率器件的特性

SiC 功率二極管

肖特基接觸的功率二極管的設計，以盡量減少反向漏電流，并減少正向壓降，使其適用于高功率應用。通過(guò)形成靠近肖特基接觸邊緣的p型區域，場(chǎng)擁擠效應被抑制，導致更低的電阻和更高的載流容量。

圖3：SiC與金屬n型高度形成的功函數。

 

圖3顯示了如何在1.0 eV至2.2 eV的范圍內控制勢壘高度。600- 1700 V肖特基勢壘二極管的理想高度約為1.1 -1.2 eV。這些二極管最適合于開(kāi)關(guān)電源設備等高頻功率轉換設備。

SiC 功率開(kāi)關(guān)器件

MOSFET（金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管）是一種功率開(kāi)關(guān)器件，通常用于各種應用，包括高功率轉換、電機控制和開(kāi)關(guān)電源。

 

圖4：SiC功率器件比導通電阻與阻擋電壓的關(guān)系

 

圖4描述了SiC功率器件及其電阻與阻塞電壓的關(guān)系.當涉及到JFET時(shí)，只有一個(gè)pn結沒(méi)有任何氧化物可靠性問(wèn)題。為了抑制電場(chǎng)對溝道區的滲透，埋地p柵的結構是必不可少的。由于SiC的高擊穿極限，SiC功率MOSFET比Si具有更好的性能。此外，溝槽MOSFET是另一種高填充密度電池的功率器件.它們具有較高的信道移動(dòng)性水平，在高頻交換中非常有用.

結論

碳化硅(SiC)基器件在高電壓、低損耗功率器件的電路工作方面表現出更強的電路彈性。SiC作為一種材料與其前身硅(Si)相比具有很好的電學(xué)特性，在大功率開(kāi)關(guān)應用中具有更高的效率。

隨著(zhù)進(jìn)一步的研究和開(kāi)發(fā)，碳化硅電源系統有能力被集成到各種功率轉換器/逆變器在高溫下，由于其長(cháng)期的可靠性。