碳化硅的主要特性是什么？为什么碳化硅在高频下的性能优于IGBT？

 

　　碳化硅（SiC）是一种由硅（Si）和碳（C）组成的半导体化合物，属于宽带隙（WBG）材料家族。它的物理键非常牢固，使半导体具有很高的机械、化学和热稳定性。宽带隙和高热稳定性使SiC器件能够在高于硅的结温下使用，甚至超过200°C。碳化硅在电源应用中的主要优势是其低漂移区域电阻，这是高压功率器件的关键因素。[这里是“关于氮化镓的10件事”]

　　基于SiC的功率器件正在推动电力电子学的根本变革，这要归功于出色的物理和电子特性的结合。尽管这种材料早已为人所知，但它作为半导体的使用是相对较新的，这在很大程度上是由于大型和高质量晶圆的可用性。近几十年来，人们的努力集中在开发特定且独特的高温晶体生长工艺上。虽然SiC具有不同的多晶型晶体结构（也称为多晶型），但4H-SiC多型六方晶体结构最适合高功率应用。1英寸碳化硅晶圆如图所示。

　　碳化硅的主要特性是什么？

　　硅与碳的结合为这种材料提供了出色的机械、化学和热性能，包括：

　　高导热性

　　低热膨胀和出色的抗热震性

　　低功耗和开关损耗

　　高能效

　　高工作频率和温度（工作结点高达200°C）

　　芯片尺寸小（击穿电压相同）

　　本征体二极管（MOSFET器件）

　　出色的热管理，可降低冷却要求

　　使用寿命长

　　碳化硅在电子产品中的应用有哪些？

　　碳化硅是一种非常适合电源应用的半导体，这首先要归功于其承受高电压的能力，比硅可用的电压高十倍。基于碳化硅的半导体具有更高的导热性、更高的电子迁移率和更低的功率损耗。SiC二极管和晶体管也可以在更高的频率和温度下工作，而不会影响可靠性。SiC器件（如肖特基二极管和FET/MOSFET晶体管）的主要应用包括转换器、逆变器、电源、电池充电器和电机控制系统。

 

　　为什么碳化硅在电源应用中克服了硅？

　　尽管硅是电子产品中使用最广泛的半导体，但它开始显示出一些局限性，尤其是在高功率应用中。这些应用中的一个相关因素是半导体提供的带隙或能隙。当带隙很高时，它使用的电子设备可以更小，运行更快，更可靠。它还可以在比其他半导体更高的温度、电压和频率下工作。虽然硅的带隙约为1.12eV，但碳化硅的值几乎是3.26eV的三倍。

　　为什么碳化硅可以处理如此高的电压？

　　功率器件，尤其是MOSFET，必须能够处理极高的电压。由于电场的介电击穿强度比硅高约十倍，SiC可以达到非常高的击穿电压，从600V到几千伏。SiC可以使用比硅更高的掺杂浓度，并且漂移层可以做得非常薄。漂移层越薄，其电阻越低。理论上，在高电压下，每单位面积漂移层的电阻可以降低到硅的1/300。

　　为什么碳化硅在高频下的性能优于IGBT？

　　在大功率应用中，IGBT和双极晶体管过去大多使用，目的是降低高击穿电压下产生的导通电阻。然而，这些器件具有显著的开关损耗，导致发热问题，限制了它们在高频下的使用。使用SiC，可以制造肖特基势垒二极管和MOSFET等器件，以实现高电压，低导通电阻和快速操作。

　　哪些杂质用于掺杂碳化硅材料？

　　在其纯粹形式中，碳化硅的行为类似于电绝缘体。通过控制杂质或掺杂剂的添加，SiC可以像半导体一样工作。P型半导体可以通过掺杂铝，硼或镓来获得，而氮和磷的杂质会产生N型半导体。碳化硅在某些条件下具有导电的能力，但在其他条件下则不然，这取决于红外辐射、可见光和紫外线的电压或强度等因素。与其他材料不同，碳化硅能够在很宽的范围内控制器件制造所需的P型和N型区域。由于这些原因，SiC是一种适用于功率器件的材料，能够克服硅提供的局限性。

　　SiC如何实现比硅更好的热管理？

　　另一个重要参数是导热率，它是半导体如何能够散发其产生的热量的指标。如果半导体不能有效地散热，则会对器件可以承受的最大工作电压和温度施加限制。这是碳化硅优于硅的另一个领域：碳化硅的导热系数为1490 W/m-K，而硅提供的导热系数为150 W/m-K。

　　与Si-MOSFET相比，SiC反向恢复时间如何？

　　与硅MOSFET一样，SiC MOSFET具有内部体二极管。体二极管的主要限制之一是不希望的反向恢复行为，当二极管在携带正正向电流的同时关闭时，就会发生这种行为。因此，反向恢复时间（trr）成为定义MOSFET特性的重要指标。图2显示了1000V Si基MOSFET和SiC基MOSFET的trr比较。可以看出，SiC MOSFET的体二极管非常快：trr和irr的值非常小，可以忽略不计，能量损失Err大大降低。

　　为什么软关断对短路保护很重要？

　　SiC MOSFET的另一个重要参数是短路耐受时间（SCWT）。由于SiC MOSFET占用芯片的非常小的面积并且具有高电流密度，因此其承受可能导致热断裂的短路的能力往往低于硅基器件。例如，对于采用TO1封装的2.247kV MOSFET，Vdd=700V和Vgs=18V时的短路耐受时间约为8-10μs。随着Vgs的降低，饱和电流减小，耐受时间增加。随着Vdd的降低，产生的热量更少，耐受时间更长。由于关断SiC MOSFET所需的时间非常短，当关断速率Vgs较高时，高dI/dt会导致严重的电压尖峰。因此，应使用软关断来逐渐降低栅极电压，避免过压峰值。

　　为什么隔离式栅极驱动器是更好的选择？

　　许多电子设备既是低压电路又是高压电路，相互连接以执行控制和电源功能。例如，牵引逆变器通常包括低压初级侧（电源、通信和控制电路）和次级侧（高压电路、电机、功率级和辅助电路）。位于初级侧的控制器通常使用来自高压侧的反馈信号，如果没有隔离栅，则容易受到损坏。隔离栅将电路从初级侧电气隔离到次级侧，形成单独的接地参考，实现所谓的电流隔离。这可以防止不需要的AC或DC信号从一侧传输到另一侧，从而导致电源组件损坏。

　




审核编辑：刘清