信息来源：KIA半(ban)导体 日期：2016-03-16
近些(xie)年来(lai)，随着节能意识几乎在所有的领域持续高(gao)(gao)涨，在高(gao)(gao)电压工(gong)业设备领域中，可实现节能并支(zhi)持高(gao)(gao)电压的功率(lv)半(ban)导体(ti)和电源IC应用(yong)也越(yue)来(lai)越(yue)广(guang)泛。其中，与现有的Si功率(lv)半(ban)导体(ti)相比，可支(zhi)持更高(gao)(gao)电压、有助于实现小型化且更加节电的SiC功率(lv)半(ban)导体(ti)备受瞩(zhu)目。
碳化硅（SiC）是(shi)(shi)一种Ⅳ－Ⅳ族化合物半导体材料，具(ju)有(you)(you)多种同素异(yi)构(gou)类(lei)型(xing)。其(qi)典型(xing)结构(gou)可(ke)分为两类(lei)：一类(lei)是(shi)(shi)闪(shan)锌矿(kuang)结构(gou)的(de)(de)立方SiC晶型(xing)，称为3C或 β－SiC，这里3指的(de)(de)是(shi)(shi)周期性次序中(zhong)(zhong)面的(de)(de)数目；另一类(lei)是(shi)(shi)六角(jiao)型(xing)或菱形结构(gou)的(de)(de)大周期结构(gou)，其(qi)中(zhong)(zhong)典型(xing)的(de)(de)有(you)(you)6H、4H、15R等，统称为α－SiC。与Si相(xiang) 比(bi)，SiC材料具(ju)有(you)(you)更大的(de)(de)Eg、Ec、Vsat、λ。大的(de)(de)Eg使SiC可(ke)以工作于650℃以上的(de)(de)高温环(huan)境(jing)，并具(ju)有(you)(you)极好的(de)(de)抗辐射性能。
相比于(yu)Si器(qi)件，SiC功(gong)率器(qi)件的优势(shi)体现在哪(na)些方面？
作为一(yi)(yi)种(zhong)(zhong)宽禁带半(ban)导体(ti)(ti)材(cai)料(liao)(liao)，SiC对功率(lv)半(ban)导体(ti)(ti)可(ke)(ke)以(yi)(yi)说(shuo)是一(yi)(yi)个冲击(ji)(ji)。这种(zhong)(zhong)材(cai)料(liao)(liao)不(bu)但击(ji)(ji)穿电(dian)场强度(du)(du)(du)高、热(re)稳定性好(hao)，还具(ju)有载流子饱和(he)漂移速度(du)(du)(du)高、热(re)导率(lv)高等特 点。具(ju)体(ti)(ti)来看，其(qi)导热(re)性能(neng)是Si材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)3倍以(yi)(yi)上；在相同(tong)反压下，SiC材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)击(ji)(ji)穿电(dian)场强度(du)(du)(du)比Si高10倍，而(er)内阻仅是Si片(pian)的(de)(de)百分之一(yi)(yi)。SiC器件的(de)(de)工作 温度(du)(du)(du)可(ke)(ke)以(yi)(yi)达到(dao)600℃，而(er)一(yi)(yi)般的(de)(de)Si器件最(zui)多(duo)能(neng)坚持到(dao)150℃。
因为这(zhei)些特(te)(te)(te)(te)性，SiC可(ke)以(yi)用(yong)来(lai)制造各种(zhong)耐(nai)高(gao)温的(de)高(gao)频(pin)大(da)功率(lv)器件，应用(yong)于(yu)Si 器件难以(yi)胜任的(de)场合。以(yi)SiC肖(xiao)特(te)(te)(te)(te)基二(er)(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)为例，它是(shi)速度(du)最快的(de)高(gao)压肖(xiao)特(te)(te)(te)(te)基二(er)(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)，无需反向恢复充电，可(ke)大(da)幅降(jiang)低开关损耗、提高(gao)开关频(pin)率(lv)，适用(yong)于(yu)比采用(yong)硅 技术的(de)肖(xiao)特(te)(te)(te)(te)基二(er)(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)高(gao)得多的(de)操(cao)作(zuo)电压范围，例如，600V SiC肖(xiao)特(te)(te)(te)(te)基二(er)(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)可(ke)以(yi)用(yong)在SMPS中，300V SiC肖(xiao)特(te)(te)(te)(te)基二(er)(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)可(ke)以(yi)用(yong)作(zuo)48~60V快速输出(chu)开关电源的(de)整流二(er)(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)，而1，200V SiC肖(xiao)特(te)(te)(te)(te)基二(er)(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)与硅IGBT组合后(hou)可(ke)以(yi)作(zuo)为理想的(de)续流二(er)(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)。
采用硅材料(liao)的MOSFET在(zai)(zai)提(ti)高(gao)(gao)器件(jian)阻断电(dian)(dian)压(ya)(ya)时(shi)，必(bi)须加宽器件(jian)的漂(piao)移(yi)区，这会(hui)使其内阻迅速增(zeng)大，压(ya)(ya)降(jiang)增(zeng)高(gao)(gao)，损(sun)耗增(zeng)大。阻断电(dian)(dian)压(ya)(ya)范围在(zai)(zai) 1，200~1，800V的硅MOSFET不仅体(ti)积大，而且价格昂贵(gui)。IGBT虽然在(zai)(zai)高(gao)(gao)压(ya)(ya)应用时(shi)可(ke)降(jiang)低(di)导通功耗，但若开关频(pin)率增(zeng)加时(shi)，开关功耗亦随之增(zeng) 大。因此IGBT在(zai)(zai)高(gao)(gao)频(pin)开关电(dian)(dian)源上(shang)亦有(you)其本身的限制。而用SiC做衬底的MOSFET，可(ke)轻易做到(dao)1，000～2，000伏的MOSFET，其开关特性 （结电(dian)(dian)容(rong)值，开关损(sun)耗，开关波型等）则与100多伏的硅MOSFET相(xiang)若，导通电(dian)(dian)阻更(geng)可(ke)低(di)至毫(hao)欧值。在(zai)(zai)高(gao)(gao)压(ya)(ya)开关电(dian)(dian)源应用上(shang)，完全可(ke)取(qu)代硅IGBT并可(ke)提(ti)高(gao)(gao) 系统的整体(ti)效率以及(ji)开关频(pin)率。
价格较贵是(shi)否(fou)会是(shi)采用SiC功率(lv)器件的一个(ge)阻碍？
单就Si器(qi)件和SiC器(qi)件的(de)(de)(de)价差(cha)来看，确(que)实有较(jiao)大的(de)(de)(de)差(cha)异，但(dan)如果从SiC器(qi)件带来的(de)(de)(de)系统性能提(ti)升来看，将会(hui)发(fa)现其带来的(de)(de)(de)总(zong)体(ti)效益远远超过两类器(qi)件的(de)(de)(de)价差(cha)。在(zai)SiC特别适合的(de)(de)(de)高(gao)压(ya)应用中，如果充分发(fa)挥SiC器(qi)件的(de)(de)(de)特性，这一(yi)整体(ti)优势表现得非(fei)常(chang)明(ming)显。
具 体来看，其整(zheng)体优势主(zhu)要体现在下(xia)面(mian)几个方面(mian)：一是SiC功率(lv)器(qi)(qi)件带来开关损耗的大幅降低，可以(yi)大大提高(gao)系统(tong)的效(xiao)率(lv)；二是因为SiC器(qi)(qi)件无反向恢复、散热性 能好(hao)等特点，减少周边器(qi)(qi)件的使用(yong)或(huo)者采(cai)用(yong)体积较小的器(qi)(qi)件，线路(lu)也得到优化，从而(er)在整(zheng)体上缩减了系统(tong)尺寸；最后(hou)，因为效(xiao)率(lv)提高(gao)、器(qi)(qi)件精简从而(er)获(huo)得了系统(tong)整(zheng)体 成本(ben)的节约。
针对未来的发展,KIA半(ban)导(dao)体最新设(she)计出碳化(hua)硅场(chang)效(xiao)应管SiC MOSFET，适用于充电桩(zhuang)、无(wu)人机、太(tai)阳(yang)能(neng)逆(ni)变(bian)等高新科(ke)技(ji)领域(yu)。
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