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關于SiC的十個基礎小知識

旺材芯片 ? 來源:旺材芯片 ? 作者:旺材芯片 ? 2021-03-27 09:45 ? 次閱讀

碳化硅(SiC)是由硅(Si)和碳(C)組成的半導體化合物,屬于寬帶隙(WBG)系列材料。它的物理鍵非常牢固,使半導體具有很高的機械,化學和熱穩定性。寬帶隙和高熱穩定性使SiC器件可以在比硅更高的結溫下使用,甚至超過200°C。碳化硅在電力應用中提供的主要優勢是其低漂移區電阻,這是高壓電力設備的關鍵因素。

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

6英寸SiC晶片(Source:ST)

SiC的主要特性是什么?

硅與碳的結合為這種材料提供了出色的機械,化學和熱學性能,包括:

·高導熱率

·低熱膨脹性和優異的抗熱震性

·低功耗和開關損耗

·高能源效率

·高工作頻率和溫度(在最高200°C的結溫下工作)

·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

SiC在電子領域有哪些應用?

碳化硅是一種非常適合于電源應用的半導體,這首先要歸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。基于碳化硅的半導體具有更高的熱導率,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)的主要應用包括轉換器逆變器,電源,電池充電器和電機控制系統。

為什么在功率應用中SiC能夠勝過Si?

盡管硅是電子領域中使用最廣泛的半導體,但硅開始顯示出一些局限性,尤其是在大功率應用中。這些應用中的一個相關因素是半導體提供的帶隙或能隙。當帶隙較高時,它使用的電子設備可以更小,運行更快,更可靠。它也可以在比其他半導體更高的溫度,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。

為什么SiC可以承受如此高的電壓?

功率器件,尤其是MOSFET,必須能夠承受極高的電壓。由于電場的介電擊穿強度大約是硅的十倍,所以SiC可以達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。

為什么碳化硅在高頻下可以勝過IGBT

在大功率應用中,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的導通電阻。但是,這些器件具有很大的開關損耗,從而導致產生熱量的問題,從而限制了它們在高頻下的使用。使用SiC,可以制造諸如肖特基勢壘二極管和MOSFET的器件,這些器件可實現高電壓,低導通電阻和快速操作。

哪些雜質用于摻雜SiC材料?

在其純凈形式中,碳化硅的行為就像電絕緣體。通過控制雜質或摻雜劑的添加,SiC可以表現得像半導體。P型半導體可以通過用鋁,硼或鎵摻雜而獲得,而氮和磷的雜質會產生N型半導體。基于諸如紅外線輻射的電壓或強度,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電的能力。與其他材料不同,碳化硅能夠在很寬的范圍內控制器件制造所需的P型和N型區域。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。

SiC如何實現比硅更好的熱管理?

另一個重要參數是導熱系數,它是半導體如何消散其產生的熱量的指標。如果半導體不能有效地散熱,則會對器件可以承受的最大工作電壓和溫度產生限制。這是碳化硅優于硅的另一個領域:碳化硅的導熱系數為1490 W / mK,而硅的導熱系數為150 W / mK。

與Si-MOSFET相比,SiC反向恢復時間如何?

SiC MOSFET和硅MOSFET一樣,都有一個內部二極管。體二極管提供的主要限制之一是不希望的反向恢復行為,當二極管在承載正向正向電流時關閉時,就會發生反向恢復行為。因此,反向恢復時間(trr)成為定義MOSFET特性的重要指標。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,并且能量損失Err大大降低了。

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反向恢復時間比較(Source:ROHM)

為什么軟關斷對于短路保護很重要?

SiC MOSFET的另一個重要參數是短路耐受時間(SCWT)。由于SiC MOSFET占據芯片的很小區域并具有高電流密度,因此它們承受可能導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時的短路耐受時間約為8-10μs。隨著Vgs的減小,飽和電流減小,并且耐受時間增加。隨著Vdd的降低,產生的熱量更少,并且承受時間更長。由于關斷SiC MOSFET所需的時間非常短,因此,當關斷速率Vgs高時,高dI / dt可能會導致嚴重的電壓尖峰。因此,應使用軟關斷來逐漸降低柵極電壓,避免出現過電壓峰值。

為什么隔離式柵極驅動器是更好的選擇?

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

編輯:jq

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原文標題:干貨 | 關于SiC的“十問十答”

文章出處:【微信號:wc_ysj,微信公眾號:旺材芯片】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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