碳化硅二极管的优(you)势

碳化(hua)硅(gui)JFET有(you)(you)(you)着高(gao)(gao)输(shu)入阻抗、低(di)噪声和线性(xing)度(du)好(hao)等特(te)点，是(shi)目(mu)前发展较快的(de)(de)(de)(de)碳化(hua)硅(gui)器(qi)(qi)件(jian)(jian)之一，并(bing)且率(lv)(lv)先(xian)实(shi)现(xian)了商业化(hua)。与(yu)MOSFET器(qi)(qi)件(jian)(jian)相比，JFET器(qi)(qi)件(jian)(jian)不(bu)存在栅氧层缺陷造成的(de)(de)(de)(de)可(ke)靠性(xing)问(wen)题和载流子(zi)(zi)迁移率(lv)(lv)过低(di)的(de)(de)(de)(de)限制，同时单极性(xing)工作特(te)性(xing)使其保持了良(liang)好(hao)的(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)频工作能力(li)(li)。另外，JFET器(qi)(qi)件(jian)(jian)具有(you)(you)(you)更佳(jia)的(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)温(wen)工作稳定性(xing)和可(ke)靠性(xing)。碳化(hua)硅(gui)JFET器(qi)(qi)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)门极的(de)(de)(de)(de)结(jie)型(xing)(xing)(xing)(xing)结(jie)构使得通(tong)常JFET的(de)(de)(de)(de)阈值(zhi)电(dian)压(ya)大多为负(fu)，即(ji)常通(tong)型(xing)(xing)(xing)(xing)器(qi)(qi)件(jian)(jian)，这(zhei)对于(yu)电(dian)力(li)(li)电(dian)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)应用极为不(bu)利(li)，无(wu)法与(yu)目(mu)前通(tong)用的(de)(de)(de)(de)驱(qu)动(dong)电(dian)路(lu)兼容(rong)。美国(guo)Semisouth公(gong)司和Rutgers大学通(tong)过引入沟槽注入式或者台面沟槽结(jie)构(TIVJFET)的(de)(de)(de)(de)器(qi)(qi)件(jian)(jian)工艺(yi)，开发出常断(duan)工作状(zhuang)(zhuang)态的(de)(de)(de)(de)增(zeng)强型(xing)(xing)(xing)(xing)器(qi)(qi)件(jian)(jian)。但是(shi)增(zeng)强型(xing)(xing)(xing)(xing)器(qi)(qi)件(jian)(jian)往(wang)往(wang)是(shi)在牺牲一定的(de)(de)(de)(de)正向(xiang)导通(tong)电(dian)阻特(te)性(xing)的(de)(de)(de)(de)情况下形成的(de)(de)(de)(de)，因(yin)此常通(tong)型(xing)(xing)(xing)(xing)(耗尽型(xing)(xing)(xing)(xing))JFET更容(rong)易实(shi)现(xian)更高(gao)(gao)功(gong)率(lv)(lv)密度(du)和电(dian)流能力(li)(li)，而耗尽型(xing)(xing)(xing)(xing)JFET器(qi)(qi)件(jian)(jian)可(ke)以通(tong)过级(ji)联(lian)的(de)(de)(de)(de)方法实(shi)现(xian)常断(duan)型(xing)(xing)(xing)(xing)工作状(zhuang)(zhuang)态。级(ji)联(lian)的(de)(de)(de)(de)方法是(shi)通(tong)过串(chuan)联(lian)一个低(di)压(ya)的(de)(de)(de)(de)Si基MOSFET来(lai)实(shi)现(xian)。级(ji)联(lian)后(hou)的(de)(de)(de)(de)JFET器(qi)(qi)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)驱(qu)动(dong)电(dian)路(lu)与(yu)通(tong)用的(de)(de)(de)(de)硅(gui)基器(qi)(qi)件(jian)(jian)驱(qu)动(dong)电(dian)路(lu)自然兼容(rong)。级(ji)联(lian)的(de)(de)(de)(de)结(jie)构非常适用于(yu)在高(gao)(gao)压(ya)高(gao)(gao)功(gong)率(lv)(lv)场合替代原(yuan)有(you)(you)(you)的(de)(de)(de)(de)硅(gui)IGBT器(qi)(qi)件(jian)(jian)，并(bing)且直(zhi)接回避(bi)了驱(qu)动(dong)电(dian)路(lu)的(de)(de)(de)(de)兼容(rong)问(wen)题。

目前，碳化(hua)硅(gui)JFET器件以(yi)及实(shi)现(xian)一定程度的(de)产(chan)业化(hua)，主要由Infineon和SiCED公司推出的(de)产(chan)品(pin)为(wei)(wei)主。产(chan)品(pin)电(dian)压等级(ji)在(zai)1200V、1700V，单管电(dian)流等级(ji)最(zui)高(gao)可以(yi)达20A，模(mo)(mo)(mo)块(kuai)的(de)电(dian)流等级(ji)可以(yi)达到(dao)100A以(yi)上。2011年，田(tian)纳西(xi)大学报到(dao)了50kW的(de)碳化(hua)硅(gui)模(mo)(mo)(mo)块(kuai)，该(gai)(gai)模(mo)(mo)(mo)块(kuai)采用1200V/25A的(de)SiC JFET并(bing)联(lian)，反并(bing)联(lian)二(er)极管为(wei)(wei)SiCSBD。2011年，GlobalPowerElectronics研制(zhi)了使用SiCJFET制(zhi)作的(de)高(gao)温条件下SiC三(san)相(xiang)逆变器的(de)研究，该(gai)(gai)模(mo)(mo)(mo)块(kuai)峰(feng)值功率(lv)(lv)为(wei)(wei)50kW(该(gai)(gai)模(mo)(mo)(mo)块(kuai)在(zai)中等负载等级(ji)下的(de)效率(lv)(lv)为(wei)(wei)98.5%@10kHz、10kW，比(bi)起Si模(mo)(mo)(mo)块(kuai)效率(lv)(lv)更高(gao)。2013年Rockwell 公司采用600V /5A MOS增强型(xing)JFET以(yi)及碳化(hua)硅(gui)二(er)极管并(bing)联(lian)制(zhi)作了电(dian)流等级(ji)为(wei)(wei)25A的(de)三(san)相(xiang)电(dian)极驱动模(mo)(mo)(mo)块(kuai)，并(bing)与(yu)现(xian)今较为(wei)(wei)先进的(de)IGBT、pin二(er)极管模(mo)(mo)(mo)块(kuai)作比(bi)较：在(zai)同等功率(lv)(lv)等级(ji)下(25A/600V)，面积减(jian)少到(dao)60%，该(gai)(gai)模(mo)(mo)(mo)块(kuai)旨在(zai)减(jian)小通态损耗以(yi)及开关损耗以(yi)及功率(lv)(lv)回路当中的(de)过压过流。

碳化(hua)硅(gui)（SiC）是(shi)目前(qian)发(fa)展最(zui)成熟的(de)宽禁(jin)带半(ban)导(dao)体材料，世界各国对SiC的(de)研(yan)(yan)究非常(chang)重视，纷(fen)纷(fen)投入大量的(de)人力物(wu)力积极发(fa)展，美国、欧洲、日本等不仅从(cong)国家层(ceng)面上(shang)制(zhi)定了相应的(de)研(yan)(yan)究规划，而且一些国际电子业巨头也都投入巨资(zi)发(fa)展碳化(hua)硅(gui)半(ban)导(dao)体器件。

与(yu)普(pu)通硅(gui)相比，采用碳化硅(gui)的(de)元器件有(you)如下特性：

碳化硅二极管的优势

高压特性

碳(tan)化硅器(qi)件(jian)是同(tong)等硅器(qi)件(jian)耐压的10倍

碳化(hua)硅肖(xiao)特基(ji)管耐压可达2400V。

碳化硅场效应管耐(nai)压可(ke)达数万伏，且(qie)通态(tai)电(dian)阻并不(bu)很大。

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)已经接近(jin)理论性(xing)能极限(xian)的(de)今天，SiC功率器(qi)(qi)件因其高耐压、低损耗、高效率等特(te)性(xing)，一直被(bei)视为“理想器(qi)(qi)件”而备受期待。然而，相对(dui)于以(yi)往的(de)Si材质器(qi)(qi)件，SiC功率器(qi)(qi)件在(zai)性(xing)能与成本间的(de)平(ping)衡(heng)以(yi)及(ji)(ji)其对(dui)高工艺的(de)需(xu)求(qiu)，将成为SiC功率器(qi)(qi)件能否真正普及(ji)(ji)的(de)关键。

目(mu)(mu)前,低(di)功耗的碳(tan)(tan)化(hua)硅(gui)器件已经从实(shi)(shi)验室进入了实(shi)(shi)用器件生(sheng)产阶段。目(mu)(mu)前碳(tan)(tan)化(hua)硅(gui)圆片的价格还较高(gao),其缺陷(xian)也多。通过不断的研究开发,预计(ji)到(dao)2010年前后,碳(tan)(tan)化(hua)硅(gui)器件将主(zhu)宰功率器件的市场。但实(shi)(shi)际上并非如此(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 是碳(tan)化硅电力电子器(qi)件研究(jiu)中最受关注的器(qi)件。

在Si材(cai)(cai)料已经接近理(li)论性能极限的(de)(de)今天，SiC功率(lv)(lv)器(qi)件(jian)因其(qi)高(gao)耐压、低损耗、高(gao)效率(lv)(lv)等特性，一直(zhi)被视为“理(li)想器(qi)件(jian)”而备(bei)受期待。然而，相对于以(yi)往的(de)(de)Si材(cai)(cai)质(zhi)器(qi)件(jian)，SiC功率(lv)(lv)器(qi)件(jian)在性能与成(cheng)本间的(de)(de)平衡以(yi)及其(qi)对高(gao)工艺(yi)的(de)(de)需求(qiu)，将成(cheng)为SiC功率(lv)(lv)器(qi)件(jian)能否真正普及的(de)(de)关键(jian)。

碳(tan)化(hua)硅MOS的优势

硅(gui)(gui)IGBT在(zai)一般情(qing)况下只能(neng)工作(zuo)在(zai)20kHz以下的(de)频(pin)率(lv)。由于(yu)受(shou)到材料的(de)限制，高(gao)(gao)(gao)压(ya)高(gao)(gao)(gao)频(pin)的(de)硅(gui)(gui)器件无法实现。碳化硅(gui)(gui)MOSFET不(bu)仅(jin)适(shi)合于(yu)从(cong)600V到10kV的(de)广泛(fan)电压(ya)范围(wei)，同时具备单(dan)极型器件的(de)卓越开(kai)关(guan)性能(neng)。相比于(yu)硅(gui)(gui)IGBT，碳化硅(gui)(gui)MOSFET在(zai)开(kai)关(guan)电路中不(bu)存在(zai)电流拖尾(wei)的(de)情(qing)况具有更(geng)低的(de)开(kai)关(guan)损(sun)耗和更(geng)高(gao)(gao)(gao)的(de)工作(zuo)频(pin)率(lv)。

20kHz的(de)碳化硅(gui)MOSFET模(mo)块(kuai)的(de)损耗可以(yi)比3kHz的(de)硅(gui)IGBT模(mo)块(kuai)低一半， 50A的(de)碳化硅(gui)模(mo)块(kuai)就可以(yi)替(ti)换150A的(de)硅(gui)模(mo)块(kuai)。显示了碳化硅(gui)MOSFET在工作频率和效率上的(de)巨大优势。

碳(tan)化(hua)硅MOSFET寄生体二极(ji)管(guan)具(ju)有(you)极(ji)小(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)(de)反(fan)向恢复(fu)(fu)时间trr和反(fan)向恢复(fu)(fu)电荷Qrr。如图所(suo)示，同(tong)一额定(ding)电流900V的(de)(de)(de)(de)器件，碳(tan)化(hua)硅MOSFET 寄生二极(ji)管(guan)反(fan)向电荷只有(you)同(tong)等电压规(gui)格硅基(ji)MOSFET的(de)(de)(de)(de)5%。对(dui)于桥式(shi)电路(lu)来(lai)(lai)说（特别(bie)当LLC变换器工作在高于谐振频(pin)率(lv)的(de)(de)(de)(de)时候(hou)），这(zhei)个指标非常(chang)关(guan)键，它(ta)可以(yi)减(jian)小(xiao)(xiao)死区(qu)时间以(yi)及体二极(ji)管(guan)的(de)(de)(de)(de)反(fan)向恢复(fu)(fu)带(dai)来(lai)(lai)的(de)(de)(de)(de)损耗(hao)和噪(zao)音，便于提高开(kai)关(guan)工作频(pin)率(lv)。

碳(tan)化(hua)硅MOS的结构

碳(tan)化硅MOSFET（SiC MOSFET）N+源区(qu)和P井掺杂都是采用离(li)子(zi)注入的方(fang)式，在(zai)(zai)1700℃温度中进行退火激(ji)活。另一个关键的工艺是碳(tan)化硅MOS栅氧化物(wu)的形成。由于碳(tan)化硅材(cai)料(liao)中同时有Si和C两种原子(zi)存在(zai)(zai)，需要非常特殊的栅介质生长方(fang)法。

其沟(gou)槽星结构的优势(shi)如下：平面vs沟(gou)槽

碳化硅二极管的优势