碳化硅材料的特性和优势分析
碳化硅半导体
一、碳化硅材料的特性
sic（碳化硅）是由硅（si）和碳（c）组成的化合物半导体。与 si 相比，sic 具有十倍的介电击穿场强、三倍的带隙和三倍的热导率。在半导体材料中形成器件结构所必需的 p 型和 n 型区域都可以在 sic 中形成。这些特性使 sic 成为一种极具吸引力的材料，可用于制造性能远远超过其 si 同类产品的功率器件。sic 器件可以承受更高的击穿电压，具有更低的电阻率，并且可以在更高的温度下工作。
sic 以多种多晶型晶体结构存在，称为多型，例如 3c-sic、6h-sic、4h-sic。目前4h-sic在实际功率器件制造中通常是首选。直径为3英寸至6英寸的单晶4h-sic晶片可商购获得。
图 1 碳化硅材料的特性
2. 功率器件应用碳化硅材料的优势
介电击穿场强比si高约10倍。可以将 sic 器件制成具有更薄的漂移层和/或更高的掺杂浓度，即，它们具有非常高的击穿电压（600v 及更高），并且相对于硅器件具有非常低的电阻。高压器件的电阻主要由漂移区的宽度决定。理论上，在相同击穿电压下，与si相比，sic可以将漂移层的单位面积电阻降低到1/300。
用于高压、大电流应用的最流行的硅功率器件是 igbt（绝缘栅双极晶体管）。使用 igbt，以牺牲开关性能为代价实现了高击穿电压下的低电阻。少数载流子被注入漂移区以降低传导（导通）电阻。当晶体管关断时，这些载流子重新结合和“消散”需要时间，从而增加开关损耗和时间。相比之下，mosfet 是多数载流子器件。利用sic较高的击穿场和较高的载流子浓度，sic mosfet因此可以结合功率开关的所有三个理想特性，即高电压、低导通电阻和快速开关速度。
更大的带隙也意味着 sic 器件可以在更高的温度下工作。当前 sic 器件的保证工作温度为 150 摄氏度 – 175 摄氏度。这主要是由于封装的热可靠性。如果包装得当，它们可以在 200 摄氏度或更高的温度下运行。
碳化硅肖特基势垒二极管 (sbd) 的特性
击穿电压为 600v（远远超过硅 sbd 的上限）及以上的 sic sbd（肖特基势垒二极管）很容易获得。与硅 frd（快速恢复二极管）相比，sic sbd 具有低得多的反向恢复电流和恢复时间，因此显着降低了恢复损耗和噪声发射。此外，与硅 frd 不同，这些特性在电流和工作温度范围内不会发生显着变化。sic sbd 使系统设计人员能够提高效率、降低散热器的成本和尺寸、增加开关频率以减小磁性元件的尺寸及其成本等。
sic-sbd 越来越多地应用于开关电源中的功率因数校正器 (pfc) 和二次侧桥式整流器等电路。今天的应用是空调、太阳能空调、电动汽车充电器、工业设备等。
rohm目前的sic sbd阵容包括600v和1,200v；额定电流范围为 5a 至 40a。1,700v 设备正在开发中。
图 2 sic sbd 的特性
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