能源效率不斷需要進一步優化：這促使工業市場尋求不同的資源。

現在的半導體主要用硅和鍺生產。碳化硅 (SiC)已成為處理新型寬帶隙時最重要的資源，這要歸功于其具有更低損耗和更高開關速度的特性。

碳化硅提供比硅更高的效率水平，這主要是由于能量損失和反向充電顯著降低。這導致在開啟和關閉階段需要更多的開關功率和更少的能量。較低的熱損失還可以去除冷卻系統，從而減少空間、重量和基礎設施成本。隨著物聯網和人工智能應用的不斷部署以及向云的遷移，提高能源密集型 IT 基礎設施的管理效率將變得越來越重要。

碳化硅比純硅具有更寬的帶寬，這使得技術即使在高工作溫度下也能使用。

寬帶隙參數

寬帶隙半導體的帶隙比硅或砷化鎵 (GaAs) 等常見半導體寬得多。這自然會轉化為更大的擊穿電場，并轉化為在高溫下工作和降低輻射敏感性而不損失電氣特性的可能性。

隨著溫度的升高，價帶中電子的熱能也會增加，直到它們達到必要的能量（在一定溫度下）才能跳到導帶。在硅的情況下，該溫度約為 150°C；然而，在 WBG 半導體的情況下，這些值要高得多。

高擊穿電場提供更高的擊穿電壓。該電壓是擊穿體二極管被破壞時的值，并且不斷增加的電流在源極和漏極之間流動。PN結二極管的擊穿電壓與擊穿電場成正比，而與材料的濃度成反比。

高電場為低得多的漂移區域提供了極好的摻雜水平和電阻。在擊穿電壓相同的情況下，漂移區的寬度與擊穿電場成反比。

另一個重要參數是漂移區的導通電阻。分析前面的 PN 結二極管示例，我們可以看到導通電阻與單極元件的擊穿電場成反比。

較薄的半導體層涉及較低密度的少數電荷載流子，這是定義反向恢復電流的重要參數。事實上，在其他特性相同的情況下，具有更大芯片以支持更高電流的組件將具有更大的電荷，在傳導和阻斷之間經歷瞬態，因此將具有更大的反向恢復電流。半導體切換到高頻的能力與其飽和漂移速度成正比：碳化硅和氮化鎵的漂移速度是硅的兩倍。因此，后者可以在更高的頻率下安全地工作。此外，更高的飽和漂移率相當于更快地去除電荷；這導致更短的恢復時間和更低的反向恢復電流。

在高溫和更寬的帶隙下工作的可能性還取決于材料的導熱性。評估熱阻的方法有多種：可以分析結與外殼之間的熱阻或結與環境之間的熱阻。

當沒有連接外部散熱器時，結和環境之間的熱阻是一個有用的參數，例如在您想要比較不同封裝的熱性能的情況下。

可以使用品質因數以與導通電阻和柵極輸入電荷之間的乘積成正比的方式來比較材料。這些參數分別決定導通損耗和開關損耗，并相互關聯；通常，較低電荷值的組件將具有略高的導通電阻。

碳化硅二極管

碳化硅二極管多為肖特基二極管。經典的硅二極管基于 PN 結。在肖特基二極管中，金屬被 p 型半導體取代，形成金屬-半導體 (ms) 結或肖特基勢壘。這提供了低導通壓降、高開關速度和低噪聲。肖特基二極管用于控制電路內電流的流動方向，使其僅從陽極流向陰極。當肖特基二極管處于未偏置狀態時，自由電子將從 n 型半導體移動到金屬，形成勢壘。在正向偏置狀態的情況下，如果電壓大于 0.2 V，電子可以穿過勢壘。

碳化硅二極管的漏電流遠低于普通二極管。作為 WBG 半導體，碳化硅具有低得多的漏電流，并且可以比硅摻雜得更高。此外，由于碳化硅的帶隙較寬，碳化硅二極管的正向電壓高于硅二極管。

在對 System Plus Consulting 電力電子和化合物半導體團隊成員 Amine Allouche 的采訪中，我們重點介紹了 SiC 二極管的一些特性。

與普通的 PiN 二極管不同，肖特基二極管沒有恢復電流，因為它們是具有多數電荷載流子的單極組件。然而，它們確實表現出一些由封裝和電路的寄生能力和電感引起的恢復效應。SiC 二極管的主要應用是在電源電路中，尤其是在 CCM（連續傳導模式）中的 PFC（功率因數校正）電路中。碳化硅 (SiC) 使二極管具有更高的故障電壓和更高的電流容量，從而在工業充電中找到了空間。

“根據 Yole Développement 的數據，2019 年功率 SiC 裸二極管管芯市場價值 1.6 億美元。這包括各種不同的細分市場，例如汽車、能源、工業……事實上，SiC 二極管主要用于中壓應用（汽車、光伏、電機控制……）到高壓應用（智能電網……）。在汽車應用中，SiC 器件，尤其是 SiC 二極管，目前被用于車載充電器 (OBC)，”Amine Allouche 說。

與所有 SiC 芯片一樣，Amine Allouche 強調，SiC 二極管面臨的主要挑戰可分為三個級別：

材料層面：碳化硅晶圓的生產成本較高（例如與硅晶圓相比）。商業化的晶圓尺寸仍然有限（最多 6 英寸），而硅晶圓目前正在過渡到 12 英寸。

制造可靠設備所需的高質量晶圓的大批量供應商數量有限。我們的報告強調了這一點，我們比較了以下 SiC 二極管制造商/銷售商的原始 SiC 晶圓成本：英飛凌、Wolfspeed、羅姆、意法半導體、安森美半導體、美高森美和 UnitedSiC。

器件級：器件可靠性面臨一些關鍵工藝步驟的挑戰，例如 SiC 外延、SiC 摻雜（需要高溫）、SiC 蝕刻……與更成熟的硅技術相比，制造良率仍有待提高。

我們的報告詳細介紹了外延良率和晶圓前端制造良率對 SiC 二極管生產成本的影響。

系統級：封裝是 SiC 二極管的另一個挑戰。需要開發新的封裝解決方案才能充分受益于 SiC 技術優勢。我們的報告詳細介紹了與市場上可用的 SiC 二極管相關的不同封裝方面，從封裝類型、芯片連接到引線鍵合。

SiC 二極管可以組裝成分立封裝，用作混合模塊中帶有硅基晶體管的反并聯二極管，或用作帶有 SiC 晶體管的全 SiC 模塊中的反并聯二極管。
“在我們的報告中，我們重點介紹了制造商的芯片貼裝選擇等。在我們分析的 7 個制造商的 11 個 SiC 二極管中，我們觀察到了五種類型的芯片連接。其中以錫基附著最為常見。然而，一個賣家使用特定類型的高性能芯片連接，但這會損害制造成本，”Amine Allouche 說。

碳化硅的高導熱性允許更好的散熱，提供比硅更小的外形尺寸。這允許降低成本并使用更小的包裝。

碳化硅肖特基二極管的恢復時間和電恢復電荷較淺；重要且有趣的是，恢復時間和電流與溫度和電流瞬變無關，這與硅二極管不同，硅二極管的恢復時間和電流隨溫度而大大增加。

SiC 二極管是逆變器的絕佳替代品：通過簡單地將它們用作二極管，與硅 IGBT 反向并聯放置，可以降低損耗。在典型的混合動力電動汽車 (HEV) 中，用碳化硅組件替代硅組件可使牽引效率提高 10% 以上。這導致散熱器體積減少到 1/3。

審核編輯 黃昊宇