功率半导体器件性能天花板如何突破

功率半导体器件，也被称作电力电子器件，是用于电力设备的电能变换和控制电路的大功率电子器件，由于其性能的优劣直接关系到能耗的多少，所以在当今节能减排的大趋势下备受重视，成为了电子圈关注的一个焦点。

既然成为焦点，那么大家对其的要求也就会越来越高。如果要给“你心目中理想的功率半导体器件”画个像，相信很多人都会做出如下的描述：

1高耐压：由于是和较大的功率打交道，所以耐压能力会是一个硬指标，为此功率器件制造往往采用不同于一般逻辑器件的半导体工艺。

2高频率：更高的开关频率不仅能够提升功率器件自身的性能，还能够带来一个明显的优势，就是允许使用更小的外围元件，进而减小系统整体的尺寸。

3高可靠：由于要承载更高的功率密度，所以功率器件需要耐高温，具有更高的热稳定性，以及对抗过流过压等瞬变的能力。

4低功耗：影响功率器件功耗的因素有很多，以一个功率二极管为例，其功耗主要包括与反向恢复过程相关的开关损耗、与正向压降 VF 相关的正向导通损耗，以及反向漏电流带来的反向损耗。

在现实中，功率器件的开发者就是照着这个“三高一低”的理想样貌去打造产品的。但麻烦的是，在我们所熟知基于硅（Si）材料的器件中，上述这些优点很难在一颗器件上实现，往往它们彼此之间是互相矛盾的，所以人们就不得不在鱼和熊掌之间做取舍。

Si功率器件的瓶颈

而对于功率器件的应用者来说，同样难于找到一颗能够满足自己对功率器件所有期望的“完美”器件，因此在选料时经常会陷入纠结之中。

仍然以二极管为例，如果你想选一款比较“快”的器件——也就是支持更高的开关频率——大家首先会想到肖特基势垒二极管（SBD），因为 SBD 不是利用PN结原理制作的，而是利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结原理制成的热载流子二极管，因此在反向恢复时不像 PN 结二极管那样存在电荷存储效应，需要一个反向恢复时间 trr 去消除这些电荷，所以其开关速度非常快，开关损耗也小。但是 SBD 有一个缺点，就是反向耐压做不高，经过工艺改进也只能达到 200V 左右，这在功率半导体应用方面，可以说是一个“硬伤”。

而想要提高反向耐压，就要使用 PN 结结构的功率二极管，但是由于反向恢复时的电荷存储效应，速度就快不了。为了解决这个问题，人们通过在二极管中掺杂贵金属的方法开发出了快速恢复和超快速恢复二极管（FRD），顾名思义这种器件就是在高频率和高耐压两者之间找到了一个最佳平衡点，在确保足够的反向耐压特性（通常在 1000V 以上）的同时尽可能缩小反向恢复时间 trr（可以达到几十纳秒），而导致导通压降变高，得不偿失。

但是，只要是 PN 结 Si 器件，在功耗上都会面临着下面这些挑战：

正向切换到反向时，积聚在漂移层内的少数载流子“消亡”过程中会产生很大的瞬态反向恢复电流，从而产生较大的开关损耗。

正向电流越大，或者温度越高，恢复时间越长，恢复电流越大，损耗也会更大。

作为 SBD，想要降低正向开启电压，减少正向导通损耗，就要降低肖特基势垒，但肖特基势垒的降低会导致反向偏压时的漏电流增大，这又是一个两难的抉择。

因此，从上面的分析可以看出，无论是选择哪种功率二极管，都不是一个“万全之策”。究其原因，这是因为制造传统功率器件的 Si 材料已经达到了其物理极限，哪怕是某个性能提升一小步都很难，有时还会对其他性能带来负面影响。所以说，想要打破功率器件性能提升的“天花板”，只在原有半导体材料上兜兜转转是不行的，必须从新材料上寻找突破口。

SiC材料带来的机会

于是第三代宽禁带半导体材料走入人们的视野。其实对这些材料的研究历史并不短，但是近年来市场和用户对突破功率器件性能瓶颈的渴望，促使相关材料的研发和商用在加速，其中碳化硅（SiC）就是一个重要的发力点。

SiC 除了具备优异的性能之外，还具有出色的热稳定性、机械稳定性和化学稳定性，这就为打造新一代的功率器件提供了一块坚固的基石。

如今，利用 SiC 优异的特质开发创新功率器件的竞逐已经开始，在这方面，Vishay 凭借在功率半导体领域深厚的技术积淀，以及对 SiC 材料的深入理解，开发出了全新的碳化硅肖特基二极管（SiC-SBD）产品，这些功率二极管击穿电压可达 650V，包括 4A~20A 单管器件和 16A~40A 的共阴极双管器件，可在 +175˚C 高温下工作，且具有高浪涌保护能力，在低功耗表现方面与传统的 Si 功率二极管相比，更是一骑绝尘。

看过 Vishay SiC-SBD 的性能参数，你一定会得出结论——这就是那颗满足“三高一低”标准的功率器件。

Vishay SiC-SBD是如何炼成的？

这样优异的性能是如何炼成的，下面我们就来细细品读。

首先，由于 SiC 具有10倍于 Si 材料的绝缘击穿电场，这意味着即使采用 SBD 的结构，而不是更耐压的PN结，SiC-SBD 的反向耐压也可以做到 600V 以上，甚至可以做到数千伏。Vishay 的 SiC-SBD 额定反向耐压就达到了 650V。

其次，SiC- SBD 同样继承了肖特基二极管高频高速的特性，原理上不会在电压正反转换时发生少数载流子存储积聚的现象，应用于高频场合不会有压力。

再有，就是 SiC 器件最为人称道的功耗上的优势。

第一，由于 SiC-SBD 在反向恢复时没有PN结的电荷存储效应，只产生使结电容放电程度的小电流，所以与 FRD 相比，开关损耗大幅减少。

第二，一般高耐压功率器件的阻抗，主要取决于形成高绝缘击穿场强的漂移层的阻抗，与Si器件相比，SiC 能够以更高的杂质浓度和厚度更薄的漂移层实现足够的耐压特性，因此单位面积导通电阻非常低，带来更低的正向导通损耗。

第三，在反向漏电流方面，Vishay 的 SiC-SBD 也做得不错，可以有效控制反向损耗的大小。

此外，Vishay的SiC-SBD还有一个特别值得一提的特性，就是其通过采用独特的MPS（Merged PN Schottky）结构，为器件带来了更高的浪涌保护能力。简单地说，MPS 结构就是在 SBD 的正极增加一个 PN 结，当器件通过高电流时，这个 PN 结通过注入少数载流子增加漂移区的导通性，进而将正向电压 VF 控制在低水平。这样做的效果显而易见，从图3中可以看到，一个“纯” SBD 随着正向电流 IF 的增加，正向电压 VF 会呈指数级增长；而采用 MPS 架构的 SBD 则无论 IF 的高低，VF 都会保持在一个稳定的水平，显现出了极佳的浪涌保护能力。

面对多样化的需求

通过上文，想必大家都已经对 SiC-SBD 在性能上的优势印象深刻，但是当开发者进行现实的技术决策时，SiC 器件的一个“不足”还是可能会让人犹豫，那就是——其成本相对较高。

毕竟，SiC 还是一个比较新的领域，今天其技术和配套产业链的成熟度还无法与 Si 器件相比。这也就使得 SiC 器件在短期内还难于覆盖更全面的电力电子应用的要求，特别是那些效益成本比要求更高的应用。

也正是由于这个原因，尽管硅基功率器件已经越发接近其理论上的性能“天花板”，但是对其性能潜力深度挖掘的努力仍然没有停止，而且这同样也十分考验厂商实力。因此，Vishay 在加快其 SiC 功率器件创新步伐的同时，也在不断巩固自身在硅基功率器件方面的优势，第5代 FRED Pt 超快恢复二极管就是其中的一个代表作。

比如 Vishay 推出的 600V第5代 FRED Pt 超快恢复二极管，支持 15A 至 75A 的电流，在一些特性上，具备了能够和 SiC-SBD 比肩的实力。

1开关频率：该系列产品与同类产品相比，表现十分抢眼，比如 15A 的 VS-E5TX1506-M3 的反向恢复电荷仅为 578nC，反向恢复时间只需要 19nS。

2功耗表现：第5代 FRED Pt在开关损耗、正向损耗和反向损耗特性方面进行了系统性的改进，因此在 50kHz 频率应用范围内，除了SiC器件，可以多一个高性价比的选择。

3工作温度：这个系列的产品，可以支持与 SiC-SBD 相同的 175℃ 最高工作温度。

4产品组合：600V 第5代 FRED Pt系列产品中包括侧重更低的 Qrr和更短的 trr的 X 型器件，以及在正向导通压降上表现更好的 H 型器件，开发者可以根据目标应用的要求进行灵活选择。而且，目前该系列还可以提供符合 AEC-Q101 标准的车规级产品，这对汽车电子开发者更是一个好消息。

通过在硅基 FRD 和 SiC-SBD 两个技术路线上的齐头并进，Vishay 可以针对多样化的需求，为开发者提供更多的选择，不论是追求更高的性能，还是要求优异的成本效益，Vishay 都可以根据客户实际的要求，提供出色的一站式的解决方案。

责任编辑：haq