碳化硅MOSFET器件结构、特点特性及应用分析

SiC（碳化硅）是由硅和碳化物组成的化合物半导体。与硅相比，SiC具有许多优势，包括10倍的击穿电场强度，3倍的带隙，以及实现器件结构所需的更广泛的p型和n型控制。

其结果是硅无法实现的突破性性能，使其成为下一代功率器件最可行的继任者。SiC存在多种多型（多晶型），每种具有不同的物理性质。在这些多类型中，4H-SiC是功率器件最理想的。

功率器件特性

SiC的击穿电场强度是硅的10倍，因此可以通过更薄的漂移层和更高的杂质浓度配置更高电压（600V至XNUMX V）的功率器件。由于高压器件的大部分电阻成分位于漂移层电阻中，因此SiC能够以极低的单位面积导通电阻实现更高的耐压。理论上，在相同的耐压下，单位面积的漂移层电阻可比硅降低300倍。

为了尽量减少使用硅的较高耐压下导通电阻的增加，通常使用少数载流子器件（双极性），例如IGBT（绝缘栅双极晶体管）。然而，这会增加开关损耗，从而导致更大的热量产生并限制高频操作。

相比之下，SiC通过高速器件结构，使用多数载流器件（肖特基势垒二极管、MOSFET）实现高耐压成为可能，同时实现高耐压、低导通电阻和高速运行。3倍宽的带隙允许功率器件在更高的温度下工作，从而大大扩展了适用性。

碳化硅SBD器件结构和特点

将碳化硅高速器件结构集成到肖特基势垒二极管（SBD）中，可以实现大于600V的耐压（与硅SBD的~200V相反）。

因此，替换现有的主流PN结二极管（快速恢复型）可显著降低恢复损耗，有助于降低线圈等无源元件的噪声和更紧凑性。这是由于电源效率的提高和操作频率的提高。这确保了对功率因数校正电路（PFC）和整流桥的支持，使其适用于更广泛的应用，包括交流电、电源、太阳能功率调节器、电动汽车快速充电器。

碳化硅SBD正向特性

SiC SBD的上升电压小于1V-相当于FRD的上升电压。上升电压由肖特基势垒的高度决定。然而，尽管设计较低的正常势垒高度可以降低上升电压，但这是以泄漏电流为代价的，漏电流在反向偏置期间会增加。为此，ROHM成功为其第2代SBD设计了一种工艺，可将上升电压降低约0.15V，同时保持与传统产品相当的漏电流和恢复特性。

此外，温度依赖性与Si FRD明显不同，Vf随着高温下的工作电阻而增加。这有助于防止热失控，确保即使并联也能无忧运行。

碳化硅SBD反向恢复特性

在硅高速PN二极管（FRD）中，当方向从正向切换到反向时，较大的瞬态电流会流动，这在这段时间内切换到反向偏置条件时可能导致较大的损耗。当施加正向电流时，积聚在漂移层中的少数载流子有助于导电，直到它们消失（存储时间）。随着正向电流的升高和温度的升高，这会增加恢复时间和恢复电流，从而导致显著的损耗。

相比之下，SiC SBD是多数载流子器件（单极），不使用少数载流子进行导电，因此原则上不会发生少数载流子积累。因此，只有少量电流流过结电容放电，实现的损耗比硅FRD少得多。这种瞬态电流在很大程度上与温度和正向电流无关，因此几乎可以在任何环境下实现稳定的高速恢复。还可以降低由于反向恢复电流而产生的噪声。

碳化硅MOSFET器件结构和特性

对于硅，随着耐压的升高，每单位面积的电阻也会增加（大约是耐压的2.5次方的平方）。因此，IGBT（绝缘栅双极晶体管）主要用于600V以上的电压。IGBT能够通过电导调制提供比MOSFET更低的导通电阻，其中少数载流子（空穴）被注入漂移层。

然而，这会导致在关断期间产生由少数载流子积累引起的尾电流，从而导致更大的开关损耗。相比之下，碳化硅具有比硅器件更低的漂移层电阻，无需电导率调制，并在MOSFET等高速器件中使用时实现高耐压和低电阻。因此，由于原则上不会产生尾电流，因此用SiC MOSFET代替IGBT可以显著降低开关损耗，从而可以减小冷却对策的尺寸。

碳化硅还有助于通过传统IGBT解决方案无法实现的高频操作实现更小的无源元件。600V-900V碳化硅MOSFET具有许多额外的优势，包括更小的芯片面积（可实现更小的封装）和显著降低的恢复损耗。因此，应用已扩展到工业设备的电源和高效功率调节器的逆变器/转换器。

SiC的介电击穿电场强度是硅的10倍，因此可以通过更低的电阻率和更薄的漂移层实现更高的击穿电压。这样可以在相同的耐压下降低归一化导通电阻（每单位面积的导通电阻）。

例如，在900V和相同的ON电阻芯片尺寸下，与硅MOSFET相比可以减少35倍，与SJ MOSFET相比可以减少10倍。除了在紧凑的外形中提供低导通电阻外，还可以降低栅极电荷Qg和电容。

通常，SJ MOSFET的耐压仅高达900V。但是使用SiC允许超过1700V的电压和低导通电阻。事实上，SiC使开发兼具低导通电阻、高耐压和高速开关的器件成为可能，无需使用IGBT等双极器件（IGBT具有低导通电阻，但开关速度较慢）。

碳化硅MOSFET不像IGBT那样具有上升电压，因此在整个电流范围内具有低导通损耗。此外，Si MOSFET在室温下的导通电阻在150C时增加了100%。但是，对于SiC MOSFET，增长率相对较低，从而简化了热设计，同时即使在高温下也能确保低导通电阻。

驱动栅极电压和导通电阻

尽管SiC MOSFET的漂移电阻低于Si MOSFET，但在当前技术水平下，MOS沟道部分的迁移率较低，导致MOS沟道电阻较高。这使得在较高的栅极电压下获得较低的导通电阻成为可能（Vgs=20V+时逐渐饱和）。

然而，在用于标准IGBT和硅MOSFET的驱动电压（Vgs=10-15V）下，无法证明固有的导通电阻性能。因此，为了获得足够的导通电阻，建议使用Vgs=18V附近的驱动电压。

审核编辑：郭婷