碳化硅功率器件的资料详细说明

功率半导体器件是所有电力电子系统的关键部件。据估计，世界上至少有50%的电力是由电力设备控制的。随着电子产品在消费、工业、医疗和交通部门的广泛应用，电力设备对经济产生了重大影响，因为它们决定了系统的成本和效率。自20世纪50年代用固态器件取代真空管以来，半导体功率器件以硅为基础材料占据了主导地位。双极功率器件，如双极晶体管和晶闸管，最早出现于20世纪50年代，随着人们对工作物理的理解和更先进光刻技术的应用，其功率额定值和开关频率不断提高。这些器件的电流传导和开关速度的物理基础已经在几本教科书1'2中描述过。由于晶闸管是为高压直流输电和电力机车驱动而开发的，所以重点是提高额定电压和电流处理能力。利用中子嬗变掺杂产生高阻n型硅的能力，改善了大直径晶片的均匀性，使晶闸管的阻断电压提高到5000伏以上，同时能够在单个器件中处理2000安培以上的电流。同时，为了提高中功率系统的开关频率，双极功率晶体管也得到了发展。不幸的是，当双极晶体管设计用于高电流密度下的高压操作时，其电流增益变得很低。采用达林顿结构是解决这一问题的常用方法，其缺点是增加了通态压降，从而增加了功耗。除了双极晶体管所需的大控制电流外，它们还遭受二次击穿故障模式。这些问题导致了缓冲网络设计的繁琐，提高了功率控制系统的成本和效率。20世纪70年代，功率MOSFET产品首次由国际整流器公司引进。尽管功率MOSFET最初因其高输入阻抗和快速开关速度而被誉为所有双极功率器件的替代品，但它成功地垄断了低压（<100v）和高开关速度（>100khz）应用的市场，但未能在高压领域取得重大进展。这是因为功率mosfet的导通电阻随击穿电压的增加而迅速增大。由此产生的高传导损耗，即使使用更大更昂贵的模具，也会降低整个系统的效率。为了认识到这些问题，我在1979年提出了两个新的动力装置领域的推动。第一种是基于MOS和双极器件物理的结合，创造了一种新的功率器件3。我在MOS双极器件中最成功的创新是绝缘栅双极晶体管（IGBT），在20世纪80年代初商业化引入后不久，IGBT就被用于所有的中功率电子器件应用。如今，它是由全球十几家公司为消费者、工业、医疗和其他有益于社会的应用而制造的。IGBT的成功与其巨大的功率增益、高输入阻抗、宽的安全工作区以及可根据其工作频率为应用量身定制的开关速度有关。我在20世纪80年代早期提出的提高功率器件性能的第二种方法是用宽带隙半导体代替硅。这种方法的基础是我导出的一个方程，它将单极功率器件中漂移区的导通电阻与半导体材料的基本性质联系起来。这个方程后来被称为Baliga优值图（BFOM），除了具有更高载流子迁移率的态电阻的预期降低外，该方程还预测导通电阻的降低与半导体材料击穿电场强度的立方成反比。上世纪70年代，人们对半导体的碰撞电离系数知之甚少。因此，击穿电场强度与半导体4的能带隙有关，从而得出结论：宽带隙半导体为大幅度降低功率器件漂移区的导通电阻提供了机会。