碳化硅半導體

一、碳化硅材料的特性

SiC（碳化硅）是由硅（Si）和碳（C）組成的化合物半導體。與 Si 相比，SiC 具有十倍的介電擊穿場強、三倍的帶隙和三倍的熱導率。在半導體材料中形成器件結構所必需的 p 型和 n 型區域都可以在 SiC 中形成。這些特性使 SiC 成為一種極具吸引力的材料，可用于制造性能遠遠超過其 Si 同類產品的功率器件。SiC 器件可以承受更高的擊穿電壓，具有更低的電阻率，并且可以在更高的溫度下工作。

SiC 以多種多晶型晶體結構存在，稱為多型，例如 3C-SiC、6H-SiC、4H-SiC。目前4H-SiC在實際功率器件制造中通常是首選。直徑為3英寸至6英寸的單晶4H-SiC晶片可商購獲得。

圖 1 碳化硅材料的特性

2. 功率器件應用碳化硅材料的優勢

介電擊穿場強比Si高約10倍。可以將 SiC 器件制成具有更薄的漂移層和/或更高的摻雜濃度，即，它們具有非常高的擊穿電壓（600V 及更高），并且相對于硅器件具有非常低的電阻。高壓器件的電阻主要由漂移區的寬度決定。理論上，在相同擊穿電壓下，與Si相比，SiC可以將漂移層的單位面積電阻降低到1/300。

用于高壓、大電流應用的最流行的硅功率器件是 IGBT（絕緣柵雙極晶體管）。使用 IGBT，以犧牲開關性能為代價實現了高擊穿電壓下的低電阻。少數載流子被注入漂移區以降低傳導（導通）電阻。當晶體管關斷時，這些載流子重新結合和“消散”需要時間，從而增加開關損耗和時間。相比之下，MOSFET 是多數載流子器件。利用SiC較高的擊穿場和較高的載流子濃度，SiC MOSFET因此可以結合功率開關的所有三個理想特性，即高電壓、低導通電阻和快速開關速度。

更大的帶隙也意味著 SiC 器件可以在更高的溫度下工作。當前 SiC 器件的保證工作溫度為 150 攝氏度 – 175 攝氏度。這主要是由于封裝的熱可靠性。如果包裝得當，它們可以在 200 攝氏度或更高的溫度下運行。

碳化硅肖特基勢壘二極管 (SBD) 的特性

擊穿電壓為 600V（遠遠超過硅 SBD 的上限）及以上的 SiC SBD（肖特基勢壘二極管）很容易獲得。與硅 FRD（快速恢復二極管）相比，SiC SBD 具有低得多的反向恢復電流和恢復時間，因此顯著降低了恢復損耗和噪聲發射。此外，與硅 FRD 不同，這些特性在電流和工作溫度范圍內不會發生顯著變化。SiC SBD 使系統設計人員能夠提高效率、降低散熱器的成本和尺寸、增加開關頻率以減小磁性元件的尺寸及其成本等。

SiC-SBD 越來越多地應用于開關電源中的功率因數校正器 (PFC) 和二次側橋式整流器等電路。今天的應用是空調、太陽能空調、電動汽車充電器、工業設備等。

ROHM目前的SiC SBD陣容包括600V和1,200V；額定電流范圍為 5A 至 40A。1,700V 設備正在開發中。

圖 2 SiC SBD 的特性

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