基礎知識之SiC功率器件

SiC（碳化硅）是一種由Si（硅）和C（碳）構成的化合物半導體材料。 不僅絕緣擊穿場(chǎng)強是Si的10倍，帶隙是Si的3倍，而且在器件制作時(shí)可以在較寬范圍內控制必要的p型、n型，所以被認為是一種超越Si極限的功率器件材料。 SiC中存在各種多型體（結晶多系），它們的物性值也各不相同。 用于功率器件制作，4H-SiC最為合適。

SiC的絕緣擊穿場(chǎng)強是Si的10倍，因此與Si器件相比，能夠以具有更高的雜質(zhì)濃度和更薄的厚度的漂移層作出600V～數千V的高耐壓功率器件。 高耐壓功率器件的阻抗主要由該漂移層的阻抗組成，因此采用SiC可以得到單位面積導通電阻非常低的高耐壓器件。

理論上，相同耐壓的器件，SiC的單位面積的漂移層阻抗可以降低到Si的1/300。 而Si材料中，為了改善伴隨高耐壓化而引起的導通電阻增大的問(wèn)題，主要采用如IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor : 絕緣柵極雙極型晶體管）等少數載流子器件（雙極型器件），但是卻存在開(kāi)關(guān)損耗大 的問(wèn)題，其結果是由此產(chǎn)生的發(fā)熱會(huì )限制IGBT的高頻驅動(dòng)。 SiC材料卻能夠以高頻器件結構的多數載流子器件（肖特基勢壘二極管和MOSFET）去實(shí)現高耐壓，從而同時(shí)實(shí)現 “高耐壓”、“低導通電阻”、“高頻” 這三個(gè)特性。 另外，帶隙較寬，是Si的3倍，因此SiC功率器件即使在高溫下也可以穩定工作。

SiC能夠以高頻器件結構的SBD（肖特基勢壘二極管）結構得到600V以上的高耐壓二極管（Si的SBD最高耐壓為200V左右）。

因此，如果用SiC-SBD替換現在主流產(chǎn)品快速PN結二極管（FRD:快速恢復二極管），能夠明顯減少恢復損耗。 有利于電源的高效率化，并且通過(guò)高頻驅動(dòng)實(shí)現電感等無(wú)源器件的小型化，而且可以降噪。 廣泛應用于空調、電源、光伏發(fā)電系統中的功率調節器、電動(dòng)汽車(chē)的快速充電器等的功率因數校正電路（PFC電路）和整流橋電路中。

SiC-SBD的開(kāi)啟電壓與Si-FRD相同，小于1V。 開(kāi)啟電壓由肖特基勢壘的勢壘高度決定，通常如果將勢壘高度設計得低，開(kāi)啟電壓也可以做得低一些，但是這也將導致反向偏壓時(shí)的漏電流增大。 ROHM的第二代SBD通過(guò)改進(jìn)制造工藝，成功地使漏電流和恢復性能保持與舊產(chǎn)品相等，而開(kāi)啟電壓降低了約0.15V。 SiC-SBD的溫度依存性與Si-FRD不同，溫度越高，它的導通阻抗就會(huì )增加，從而VF值也增加。 不易發(fā)生熱失控，所以可以放心地并聯(lián)使用。

Si的快速PN結二極管（FRD:快速恢復二極管）在從正向切換到反向的瞬間會(huì )產(chǎn)生極大的瞬態(tài)電流，在此期間轉移為反向偏壓狀態(tài)，從而產(chǎn)生很大的損耗。 這是因為正向通電時(shí)積聚在漂移層內的少數載流子不斷地進(jìn)行電傳導直到消亡（該時(shí)間也稱(chēng)為積聚時(shí)間）。 正向電流越大，或者溫度越高，恢復時(shí)間和恢復電流就越大，從而損耗也越大。 與此相反，SiC-SBD是不使用少數載流子進(jìn)行電傳導的多數載流子器件（單極性器件），因此原理上不會(huì )發(fā)生少數載流子積聚的現象。由于只產(chǎn)生使結電容放電程度的小電流，所以與Si-FRD相比，能夠明顯地減少損耗。 而且，該瞬態(tài)電流基本上不隨溫度和正向電流而變化，所以不管何種環(huán)境下，都能夠穩定地實(shí)現快速恢復。 另外，還可以降低由恢復電流引起的噪音，達到降噪的效果。