碳化硅（SiC）是由硅（Si）和碳（C）組成的半導(dǎo)體化合物，屬于寬帶隙（WBG）系列材料。它的物理鍵非常牢固，使半導(dǎo)體具有很高的機(jī)械，化學(xué)和熱穩(wěn)定性。寬帶隙和高熱穩(wěn)定性使SiC器件可以在比硅更高的結(jié)溫下使用，甚至超過200°C。碳化硅在電力應(yīng)用中提供的主要優(yōu)勢(shì)是其低漂移區(qū)電阻，這是高壓電力設(shè)備的關(guān)鍵因素。

 

憑借出色的物理和電子特性的結(jié)合，基于SiC的功率器件正在推動(dòng)功率電子學(xué)的根本變革。盡管這種材料已為人們所知很長(zhǎng)時(shí)間，但由于可提供大而高質(zhì)量的晶片，在很大程度上將其用作半導(dǎo)體是相對(duì)較新的。近幾十年來，努力集中在開發(fā)特定且獨(dú)特的高溫晶體生長(zhǎng)工藝上。盡管SiC具有不同的多晶型晶體結(jié)構(gòu)（也稱為多型晶體），但4H-SiC多型六方晶體結(jié)構(gòu)最適合于高功率應(yīng)用。六英寸的SiC晶圓如圖1所示。

 

圖1：6英寸SiC晶片（Source：ST）

 

 

硅與碳的結(jié)合為這種材料提供了出色的機(jī)械，化學(xué)和熱學(xué)性能，包括：

 

· 高導(dǎo)熱率

 

· 低熱膨脹性和優(yōu)異的抗熱震性

 

· 低功耗和開關(guān)損耗

 

· 高能源效率

 

· 高工作頻率和溫度（在最高200°C的結(jié)溫下工作）

 

· 小芯片尺寸（具有相同的擊穿電壓）

 

· 本征二極管（MOSFET器件）

 

· 出色的熱管理，降低了冷卻要求

 

· 壽命長(zhǎng)

 

 

碳化硅是一種非常適合于電源應(yīng)用的半導(dǎo)體，這首先要?dú)w功于其承受高壓的能力，該能力是硅所能承受的高壓的十倍之多?；谔蓟璧陌雽?dǎo)體具有更高的熱導(dǎo)率，更高的電子遷移率和更低的功率損耗。SiC二極管和晶體管還可以在更高的頻率和溫度下工作，而不會(huì)影響可靠性。SiC器件（例如肖特基二極管和FET / MOSFET晶體管）的主要應(yīng)用包括轉(zhuǎn)換器，逆變器，電源，電池充電器和電機(jī)控制系統(tǒng)。

 

 

盡管硅是電子領(lǐng)域中使用最廣泛的半導(dǎo)體，但硅開始顯示出一些局限性，尤其是在大功率應(yīng)用中。這些應(yīng)用中的一個(gè)相關(guān)因素是半導(dǎo)體提供的帶隙或能隙。當(dāng)帶隙較高時(shí)，它使用的電子設(shè)備可以更小，運(yùn)行更快，更可靠。它也可以在比其他半導(dǎo)體更高的溫度，電壓和頻率下工作。硅的帶隙約為1.12eV，而碳化硅的帶隙約為3.26eV，幾乎是其三倍。

 

 

功率器件，尤其是MOSFET，必須能夠承受極高的電壓。由于電場(chǎng)的介電擊穿強(qiáng)度大約是硅的十倍，所以SiC可以達(dá)到非常高的擊穿電壓，從600V到幾千伏。SiC可以使用比硅更高的摻雜濃度，并且可以使漂移層非常薄。漂移層越薄，其電阻越低。理論上，給定高電壓，可以將漂移層的每單位面積的電阻減小到硅電阻的1/300。

 

 

在大功率應(yīng)用中，過去主要使用IGBT和雙極晶體管，目的是降低在高擊穿電壓下出現(xiàn)的導(dǎo)通電阻。但是，這些器件具有很大的開關(guān)損耗，從而導(dǎo)致產(chǎn)生熱量的問題，從而限制了它們?cè)诟哳l下的使用。使用SiC，可以制造諸如肖特基勢(shì)壘二極管和MOSFET的器件，這些器件可實(shí)現(xiàn)高電壓，低導(dǎo)通電阻和快速操作。

 

 

在其純凈形式中，碳化硅的行為就像電絕緣體。通過控制雜質(zhì)或摻雜劑的添加，SiC可以表現(xiàn)得像半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體可以通過用鋁，硼或鎵摻雜而獲得，而氮和磷的雜質(zhì)會(huì)產(chǎn)生N型半導(dǎo)體?；谥T如紅外線輻射的電壓或強(qiáng)度，可見光和紫外線的因素，碳化硅具有在某些條件下而不在其他條件下導(dǎo)電的能力。與其他材料不同，碳化硅能夠在很寬的范圍內(nèi)控制器件制造所需的P型和N型區(qū)域。由于這些原因，SiC是一種適用于功率器件的材料，并且能夠克服硅提供的限制。

 

 

另一個(gè)重要參數(shù)是導(dǎo)熱系數(shù)，它是半導(dǎo)體如何消散其產(chǎn)生的熱量的指標(biāo)。如果半導(dǎo)體不能有效地散熱，則會(huì)對(duì)器件可以承受的最大工作電壓和溫度產(chǎn)生限制。這是碳化硅優(yōu)于硅的另一個(gè)領(lǐng)域：碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)為1490 W / mK，而硅的導(dǎo)熱系數(shù)為150 W / mK。

 

 

SiC MOSFET和硅MOSFET一樣，都有一個(gè)內(nèi)部二極管。體二極管提供的主要限制之一是不希望的反向恢復(fù)行為，當(dāng)二極管在承載正向正向電流時(shí)關(guān)閉時(shí)，就會(huì)發(fā)生反向恢復(fù)行為。因此，反向恢復(fù)時(shí)間（trr）成為定義MOSFET特性的重要指標(biāo)。圖2顯示了1000V Si基MOSFET和SiC基MOSFET的trr之間的比較。可以看出，SiC MOSFET的體二極管非常快：trr和Irr的值很小，可以忽略不計(jì)，并且能量損失Err大大降低了。
 

圖2：反向恢復(fù)時(shí)間比較（Source：ROHM）

 

 

SiC MOSFET的另一個(gè)重要參數(shù)是短路耐受時(shí)間（SCWT）。由于SiC MOSFET占據(jù)芯片的很小區(qū)域并具有高電流密度，因此它們承受可能導(dǎo)致熱破壞的短路的能力往往低于硅基器件。例如，在采用TO247封裝的1.2kV MOSFET的情況下，Vdd = 700V和Vgs = 18V時(shí)的短路耐受時(shí)間約為8-10μs。隨著Vgs的減小，飽和電流減小，并且耐受時(shí)間增加。隨著Vdd的降低，產(chǎn)生的熱量更少，并且承受時(shí)間更長(zhǎng)。由于關(guān)斷SiC MOSFET所需的時(shí)間非常短，因此，當(dāng)關(guān)斷速率Vgs高時(shí)，高dI / dt可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電壓尖峰。因此，應(yīng)使用軟關(guān)斷來逐漸降低柵極電壓，避免出現(xiàn)過電壓峰值。

 

為什么隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器是更好的選擇？

 

許多電子設(shè)備都是低壓電路和高壓電路，它們彼此互連以執(zhí)行控制和電源功能。例如，牽引逆變器通常包括低壓初級(jí)側(cè)（電源，通信和控制電路）和次級(jí)側(cè)（高壓電路，電動(dòng)機(jī)，功率級(jí)和輔助電路）。位于初級(jí)側(cè)的控制器通常使用來自高壓側(cè)的反饋信號(hào)，如果沒有隔離柵，則很容易受到損壞。隔離柵將電路從初級(jí)側(cè)到次級(jí)側(cè)電氣隔離，從而形成獨(dú)立的接地基準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)了所謂的電流隔離。這樣可以防止有害的交流或直流信號(hào)從一側(cè)傳遞到另一側(cè)，從而損壞功率組件。