SiC FET的起源和发展

摘要

高频开关等宽带隙半导体是实现更高功率转换效率的助力。SiC FET就是一个例子，它由一个SiC JFET和一个硅MOSFET以共源共栅方式构成。本文追溯了SiC FET的起源和发展，直至最新一代产品，并将其性能与替代技术进行了比较。

正文

在功率电子器件领域，工程师们梦想有一种完美的半导体开关，它没有导电损耗和开关损耗，电压无穷大，没有漏电且易于驱动。不幸的是，物理学告诉我们，它仅仅存在于梦想中，但是采用最新SiC FET宽带隙半导体的开关已经非常接近这一理想开关，这种半导体开创了新的应用领域，提升了旧开关的效率，还有助于节省能量和成本。

发展历程

虽然场效应晶体管（FET）是在20世纪30年代首次提出并注册专利的，但是制造技术没能跟上，因此，首个开关功率转换器采用的是锗双极性晶体管（BJT），它的实用性很差，漏电量很高且额定值非常有限。

硅BJT是一个进步，它成为了市场主流，且直至今日，一些功率非常低/低成本的转换器仍会偶尔使用它。然而，由于开关损耗，BJT的效率低，除非将频率控制得非常低，而这意味着采用大体积磁性元件，违背了微型化趋势。

在70年代晚期和80年代早期，MOSFET问世了，其额定值适合低功率转换器，但是MOSFET技术和BJT技术结合构成的IGBT带来了突破，它易于驱动，具有高额定电压，而且甚至在大电流下也具有低导电损耗。该器件变成了大功率应用下的首选解决方案，而且在今天的逆变器和电动机领域仍具有非常大的市场。

不过，它们距离完美开关仍有很大距离，这主要是由开关损耗造成的，尤其是“尾”电流造成的开关损耗，它将工作频率限制为最高数十kHz，从而导致相关磁性元件体积大、重量大、损耗高且价格昂贵。

与此同时，硅MOSFET有改进过的最新“超结”类型，导通电阻足够低，能与IGBT相媲美，迈入kW级电平范围，且具有工作频率可以非常高的优势以及所有相关优点。

不过，在较高功率下，由于“平方”效果，较大的电流仍将在导通电阻内产生不可接受的I2R损耗，而且因为即使在低功率下也需要比以往更高的效率，所以设计师们现在把改进期望寄托在硅的替代产品上。宽带隙（WBG）材料碳化硅（SiC）和氮化镓正好合适，它们的单位晶粒面积导通电阻较低，电饱和速度更好。

它们还具有其他优点，如每毫米的临界击穿电压较高、能实现较小的芯片体积并进而实现较低的电容以及可能较高的开关速度。SiC的导热系数比硅或GaN好得多，它不仅额定结温较高，还能让给定晶粒和封装具有更好的功率耗散能力（图1）。

【图1：Si、SiC和GaN的材料特性】

宽带隙器件的挑战

不过，作为宽带隙产品中的佼佼者，SiC MOSFET仍然面临着挑战，因为它固有的晶格缺陷数量要超过硅，所以会造成较低的电子迁移率和较高的导通电阻。栅极阈值电压也表现出了明显的不稳定性和迟滞现象，而且在短路和过压等应力事件后栅氧化层会降级。

它还会出现意外问题，并伴随“基面错位”或大块晶格缺陷，这种错位或缺陷可能在特定条件下扩大或迁移，进而导致导通电阻和漏电电流上升。制程改进显著改善了这一情况，不过，制造商仍需要在制程中进行大量缺陷筛查，才能将场故障率维持在低水平，但是每个晶粒仍会受到一定影响。

SiC MOSFET还需满足特定的栅极驱动要求才能实现最低的导通电阻，栅极电压也必须接近最大绝对值才能具有防止瞬态过电压的重要能力。

替换方案SiCFET

虽然许多制造商坚持采用SiC MOSFET，但是采用SiC JFET也是一个可以考虑的方法，它没有许多MOSFET会有的问题。

不过，JFET是常开型器件，在实际电路中并不受欢迎，因而“共源共栅”概念广为人们所接受，它将高压SiC JFET和一起封装的低压硅MOSFET相结合，构成了所谓的“SiC FET”（图2）。

该器件为常关状态，具有宽带隙器件的全部优势，又容易用非临界栅极驱动来驱动Si-MOSFET，后者为低压型器件，具有非常可靠的栅氧化层和低导通电阻。

【图2：SiC FET示意图】

与SiC MOSFET相比，SiC FET具有许多电气优势和实用优势。例如，SiC JFET固有的沟道电子迁移率要好得多。沟道也较短，因此对于给定晶粒面积，SiC FET的导通电阻是SiC MOSFET的二分之一到四分之一，或者说，在获得相同导通电阻的前提下，每个晶圆最多可以得到四倍于SiC MOSFET的晶粒。

与硅超结MOSFET相比，该数字最高可达到13倍，且更高的性能有助于抵消SiC比硅高的物料成本。要进行有意义的比较，导通电阻与晶粒面积的乘积RDS*A是一个有用的指标。

因为与SiC MOSFET相比，在相同导电损耗下，SiC FET器件的晶粒较小，所以SiC FET的器件电容较低，因而开关损耗也较低，以导通电阻乘以开关能量这一性能表征表示，即RDS*EOSS。

SiC FET的栅极就是共源共栅的Si MOSFET。它的阈值约为5V，稳定，无迟滞，因而用12V或15V电压就可轻松驱动至完全增强，它还兼容IGBT和Si MOSFET电平，且距离最大绝对值（通常为25V）有很大的裕度。

由于器件尺寸小且Si MOSFET有隔离效果，可以不使用米勒电容，从而提高效率，因此开关速度非常快且损耗低，而SiC JFET的低输出电容也促进了这一特点。

在实际应用中，通常会有意将边缘放缓，以控制电磁干扰和电压过冲，这可以通过增加栅极电阻实现，通过小缓冲电路也能实现，且更有效。

反向或“第三象限”导电

是否能有效反向导电通常是功率开关的一个关键考虑事项。IGBT不能，所以需要一个并联二极管，而Si和SiC MOSFET有体二极管。SiC MOSFET中的二极管有可观的反向恢复能量，因而会耗散部分功率，且其正向压降高，约为4V。GaN HEMT单元可反向导电而无反向恢复，但是压降高，且压降与栅极关态电压和沟道电阻相关，从而导致压降达到数伏。

相反，SiC FET的体二极管具有低压共源共栅Si MOSFET的特征，因此正向压降约为1.5V，反向恢复能量非常低，大约是SiC MOSFET的三分之一。SiC FET的较高性能有力地开拓了Si MOSFET所无法进入的应用领域，如“图腾柱”功率因数校正级中的快速开关。

图3显示了SiC FET和超结MOSFET的反向恢复特征，并与同一电压级别的器件进行了对比。

【图3：SiC FET共源共栅结构的反向恢复电荷比硅SJ MOSFET小100倍左右】

SiCFET十分可靠

工程师需要对器件可靠性有信心，这是十分自然的事，而SiC现在可以视为一种成熟技术，在现场和实验中都具有很好的可靠性数据。SiC FET不具有已知会导致降级问题的SiC栅氧化层，这是它的另一个优点。

共源共栅结构的栅极是可靠的低压Si MOSFET的栅极，具有高阈值电压和厚氧化层，而内置稳压钳位又提供了进一步保护。与GaN单元不同，SiC FET具有雪崩额定值和固有的抗短路能力，它还有沟道“夹断”效应，而且与MOSFET和IGBT不同，该效应极为一致，不受栅极电压影响。

由于沟道电阻温度系数为正，SiC FET短路电流会随时间减小，而且会在晶粒单元中均匀分布，因而更加稳定。

最近推出的SiC FET器件采用银烧结晶粒粘接方法，与焊料相比，该方法能将连接处的导热系数提高六倍，减少结温升高幅度并保持高可靠性。

SiCFET的最新发展

自诞生后，SiC FET已经发展出了第四代产品。额定电压已经有所提高，导通电阻则降低至一定范围，使得基片成为目前的限制因素，而且目前应用“晶圆减薄”法来提高收益。

产品的动态性能也得以改进，因而部件可以在硬开关拓扑中高效应用，也可以在软开关操作中在非常高的频率下应用，如在LLC或相移全桥电路中。

SiC FET的安装选项也增加了，从TO-247和TO-220封装中的并排安装发展到“堆叠式”晶粒结构。还利用“开尔文”源极连接引入了有引脚的部件，以避免栅极驱动回路中的常见电感问题。最近推出的无引脚DFN8x8封装可实现极低的连接电感和MHz频率的开关。

SiC FET的吸引力

最新一代SiC FET使得开关向着理想开关又迈进了一步，它的损耗极低，能轻松实施，且价格越来越有吸引力。这些器件由UnitedSiC提供，额定电压从650V至1700V，导通电阻低至25毫欧。

UnitedSiC在其网站上提供了免费设计助手“FET JET”计算器，用它能快速为一系列功率转换拓扑选择任何UnitedSiC器件并预测器件性能，包括PFC级和隔离/非隔离直流转换器拓扑。

审核编辑：刘清