碳(tan)化硅二极管的(de)优势(shi)

碳(tan)(tan)化(hua)硅JFET有(you)着高(gao)输入(ru)阻抗、低(di)噪声(sheng)和(he)(he)线性(xing)度(du)(du)好等特(te)点，是(shi)(shi)目(mu)前发(fa)(fa)展较快的(de)(de)(de)(de)(de)(de)碳(tan)(tan)化(hua)硅器(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)之一，并且率先实(shi)(shi)现(xian)了商业化(hua)。与MOSFET器(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)相比，JFET器(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)不存在栅氧层缺陷造成的(de)(de)(de)(de)(de)(de)可(ke)靠性(xing)问(wen)题(ti)和(he)(he)载(zai)流子(zi)迁移率过低(di)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)限(xian)制，同时单极(ji)性(xing)工(gong)作特(te)性(xing)使其(qi)保持了良好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)频工(gong)作能力(li)。另外，JFET器(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)具有(you)更(geng)佳的(de)(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)温工(gong)作稳定性(xing)和(he)(he)可(ke)靠性(xing)。碳(tan)(tan)化(hua)硅JFET器(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)门极(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)结(jie)型(xing)结(jie)构(gou)(gou)(gou)使得通(tong)(tong)常(chang)(chang)JFET的(de)(de)(de)(de)(de)(de)阈值电(dian)(dian)压(ya)大多(duo)为(wei)负，即(ji)常(chang)(chang)通(tong)(tong)型(xing)器(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)，这对于电(dian)(dian)力(li)电(dian)(dian)子(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)应用(yong)极(ji)为(wei)不利，无法与目(mu)前通(tong)(tong)用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)驱动(dong)电(dian)(dian)路(lu)(lu)兼(jian)容。美国Semisouth公司和(he)(he)Rutgers大学(xue)通(tong)(tong)过引入(ru)沟槽注入(ru)式(shi)或者(zhe)台面沟槽结(jie)构(gou)(gou)(gou)(TIVJFET)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)器(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)工(gong)艺，开发(fa)(fa)出常(chang)(chang)断工(gong)作状(zhuang)态的(de)(de)(de)(de)(de)(de)增强(qiang)型(xing)器(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)。但(dan)是(shi)(shi)增强(qiang)型(xing)器(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)往(wang)往(wang)是(shi)(shi)在牺牲一定的(de)(de)(de)(de)(de)(de)正向导通(tong)(tong)电(dian)(dian)阻特(te)性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)情况下形(xing)成的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，因此常(chang)(chang)通(tong)(tong)型(xing)(耗(hao)尽(jin)型(xing))JFET更(geng)容易实(shi)(shi)现(xian)更(geng)高(gao)功率密度(du)(du)和(he)(he)电(dian)(dian)流能力(li)，而耗(hao)尽(jin)型(xing)JFET器(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)可(ke)以通(tong)(tong)过级(ji)联(lian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)法实(shi)(shi)现(xian)常(chang)(chang)断型(xing)工(gong)作状(zhuang)态。级(ji)联(lian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)法是(shi)(shi)通(tong)(tong)过串联(lian)一个低(di)压(ya)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)Si基(ji)MOSFET来实(shi)(shi)现(xian)。级(ji)联(lian)后(hou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)JFET器(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)驱动(dong)电(dian)(dian)路(lu)(lu)与通(tong)(tong)用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)硅基(ji)器(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)驱动(dong)电(dian)(dian)路(lu)(lu)自然(ran)兼(jian)容。级(ji)联(lian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)结(jie)构(gou)(gou)(gou)非常(chang)(chang)适(shi)用(yong)于在高(gao)压(ya)高(gao)功率场合替代原有(you)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)硅IGBT器(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)(jian)，并且直接回避了驱动(dong)电(dian)(dian)路(lu)(lu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)兼(jian)容问(wen)题(ti)。

目前，碳(tan)化硅(gui)(gui)JFET器件以(yi)(yi)及实(shi)现一定程度的(de)(de)产(chan)业化，主要由Infineon和SiCED公(gong)司推出(chu)的(de)(de)产(chan)品为主。产(chan)品电(dian)(dian)压(ya)等(deng)级(ji)在(zai)1200V、1700V，单管(guan)(guan)电(dian)(dian)流(liu)等(deng)级(ji)最高(gao)可以(yi)(yi)达(da)20A，模(mo)(mo)(mo)块(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)的(de)(de)电(dian)(dian)流(liu)等(deng)级(ji)可以(yi)(yi)达(da)到(dao)100A以(yi)(yi)上。2011年，田纳西大(da)学报到(dao)了50kW的(de)(de)碳(tan)化硅(gui)(gui)模(mo)(mo)(mo)块(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)，该(gai)模(mo)(mo)(mo)块(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)采(cai)用(yong)1200V/25A的(de)(de)SiC JFET并联(lian)(lian)，反(fan)并联(lian)(lian)二极管(guan)(guan)为SiCSBD。2011年，GlobalPowerElectronics研制(zhi)了使(shi)用(yong)SiCJFET制(zhi)作的(de)(de)高(gao)温条件下(xia)SiC三(san)(san)相(xiang)逆变器的(de)(de)研究，该(gai)模(mo)(mo)(mo)块(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)峰值功率(lv)为50kW(该(gai)模(mo)(mo)(mo)块(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)在(zai)中等(deng)负载等(deng)级(ji)下(xia)的(de)(de)效率(lv)为98.5%@10kHz、10kW，比起Si模(mo)(mo)(mo)块(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)效率(lv)更高(gao)。2013年Rockwell 公(gong)司采(cai)用(yong)600V /5A MOS增(zeng)强型JFET以(yi)(yi)及碳(tan)化硅(gui)(gui)二极管(guan)(guan)并联(lian)(lian)制(zhi)作了电(dian)(dian)流(liu)等(deng)级(ji)为25A的(de)(de)三(san)(san)相(xiang)电(dian)(dian)极驱动(dong)模(mo)(mo)(mo)块(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)，并与(yu)现今较为先进的(de)(de)IGBT、pin二极管(guan)(guan)模(mo)(mo)(mo)块(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)作比较：在(zai)同等(deng)功率(lv)等(deng)级(ji)下(xia)(25A/600V)，面积减少(shao)到(dao)60%，该(gai)模(mo)(mo)(mo)块(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)(kuai)旨在(zai)减小(xiao)通态(tai)损耗以(yi)(yi)及开关损耗以(yi)(yi)及功率(lv)回路当中的(de)(de)过压(ya)过流(liu)。

碳(tan)化硅(gui)（SiC）是目(mu)前发展(zhan)最成(cheng)熟的(de)宽禁带半(ban)导(dao)体材料，世界(jie)各国(guo)(guo)对(dui)SiC的(de)研究非(fei)常重视，纷纷投(tou)入大(da)量(liang)的(de)人力物(wu)力积极发展(zhan)，美(mei)国(guo)(guo)、欧(ou)洲、日本等不仅从国(guo)(guo)家(jia)层面上制定了相应的(de)研究规划(hua)，而且一些国(guo)(guo)际电子业(ye)巨头也都投(tou)入巨资发展(zhan)碳(tan)化硅(gui)半(ban)导(dao)体器件。

与普(pu)通硅相比(bi)，采用(yong)碳化硅的元(yuan)器件有如下特性：

碳化硅二极管的优势

高压特性

碳化硅(gui)器件是同等硅(gui)器件耐(nai)压的10倍(bei)

碳化(hua)硅肖特基管(guan)耐压可达2400V。

碳化硅场效(xiao)应管耐压可达数万伏，且通态电阻并不很大(da)。

碳化硅二极管的优势

高频特性

碳化硅二极管的优势

高温特性

在(zai)Si材料(liao)已(yi)经接近理论(lun)性(xing)能极限的今天，SiC功率器件(jian)因(yin)其(qi)(qi)高耐压、低损耗(hao)、高效率等特(te)性(xing)，一直被(bei)视为“理想器件(jian)”而备受期待(dai)。然而，相对(dui)于以往的Si材质器件(jian)，SiC功率器件(jian)在(zai)性(xing)能与(yu)成本间的平(ping)衡以及其(qi)(qi)对(dui)高工艺的需求，将(jiang)成为SiC功率器件(jian)能否(fou)真正普及的关键。

目前(qian)(qian),低功耗的(de)碳(tan)化硅(gui)器(qi)件(jian)已经(jing)从实(shi)验室进入(ru)了(le)实(shi)用(yong)器(qi)件(jian)生产阶段。目前(qian)(qian)碳(tan)化硅(gui)圆片的(de)价格还较高,其(qi)缺陷也(ye)多。通过不(bu)断的(de)研究开(kai)发,预计到2010年前(qian)(qian)后(hou),碳(tan)化硅(gui)器(qi)件(jian)将主宰功率器(qi)件(jian)的(de)市场(chang)。但实(shi)际上并非如(ru)此(ci)。

最受关注的碳化硅MOS

SiC器件分类

碳化硅二极管的优势

SiC-MOSFET

SiC-MOSFET 是(shi)碳化(hua)硅电力电子器(qi)件(jian)研究中最(zui)受关注(zhu)的器(qi)件(jian)。

在(zai)Si材料已经接近理论性(xing)能极(ji)限的今天(tian)，SiC功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)因(yin)其(qi)高耐压、低损耗、高效率(lv)等特性(xing)，一直被视为“理想(xiang)器(qi)件(jian)”而备受期(qi)待。然(ran)而，相对于以(yi)往的Si材质器(qi)件(jian)，SiC功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)在(zai)性(xing)能与成本间(jian)的平衡以(yi)及其(qi)对高工艺的需求，将成为SiC功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)能否真正普及的关键。

碳(tan)化硅(gui)MOS的优势

硅(gui)(gui)IGBT在(zai)(zai)(zai)一般情况(kuang)下只(zhi)能工(gong)作在(zai)(zai)(zai)20kHz以下的频(pin)(pin)率。由于受到材(cai)料的限制，高压(ya)(ya)高频(pin)(pin)的硅(gui)(gui)器(qi)件无法(fa)实现。碳化硅(gui)(gui)MOSFET不仅适合于从600V到10kV的广(guang)泛电(dian)(dian)压(ya)(ya)范围，同(tong)时具备单极型(xing)器(qi)件的卓(zhuo)越开关(guan)性能。相比(bi)于硅(gui)(gui)IGBT，碳化硅(gui)(gui)MOSFET在(zai)(zai)(zai)开关(guan)电(dian)(dian)路中不存在(zai)(zai)(zai)电(dian)(dian)流拖尾的情况(kuang)具有更(geng)低的开关(guan)损耗和更(geng)高的工(gong)作频(pin)(pin)率。

20kHz的碳化硅(gui)MOSFET模块(kuai)(kuai)的损耗可(ke)以比(bi)3kHz的硅(gui)IGBT模块(kuai)(kuai)低一半， 50A的碳化硅(gui)模块(kuai)(kuai)就可(ke)以替换(huan)150A的硅(gui)模块(kuai)(kuai)。显示了(le)碳化硅(gui)MOSFET在工(gong)作频率和效率上的巨大优(you)势。

碳化硅MOSFET寄生(sheng)(sheng)体(ti)二(er)极管具(ju)有极小的(de)(de)(de)反(fan)(fan)向恢(hui)复(fu)(fu)时(shi)间trr和反(fan)(fan)向恢(hui)复(fu)(fu)电荷(he)Qrr。如图所示，同一额定电流900V的(de)(de)(de)器(qi)件，碳化硅MOSFET 寄生(sheng)(sheng)二(er)极管反(fan)(fan)向电荷(he)只有同等电压规格(ge)硅基MOSFET的(de)(de)(de)5%。对于(yu)桥式电路来(lai)说（特别当LLC变(bian)换器(qi)工作在高(gao)于(yu)谐振频率的(de)(de)(de)时(shi)候），这个指标非常关(guan)键，它可(ke)以(yi)减小死区时(shi)间以(yi)及体(ti)二(er)极管的(de)(de)(de)反(fan)(fan)向恢(hui)复(fu)(fu)带来(lai)的(de)(de)(de)损耗和噪音，便于(yu)提高(gao)开关(guan)工作频率。

碳化硅MOS的结构

碳(tan)化(hua)硅(gui)MOSFET（SiC MOSFET）N+源区和(he)P井掺杂都是采(cai)用离(li)子注入(ru)的(de)方(fang)式，在1700℃温度中(zhong)进行退火激活。另一个(ge)关键的(de)工艺(yi)是碳(tan)化(hua)硅(gui)MOS栅氧化(hua)物的(de)形成。由于碳(tan)化(hua)硅(gui)材料中(zhong)同时有Si和(he)C两(liang)种原子存在，需要非常(chang)特殊的(de)栅介质生长方(fang)法。

其沟槽星结(jie)构的优势如下(xia)：平面vs沟槽

碳化硅二极管的优势