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由于MOSFET和IGBT的發(fā)展，基于硅的功率開關(guān)器件使系統(tǒng)能夠產(chǎn)生更多的功率，同時以更高的效率工作。本文主要介紹了SiC相對于Si的特點(diǎn)和優(yōu)勢，SiC器件的工作原理，以及各種SiC功率器件的特點(diǎn)。

在當(dāng)今世界，由于供熱、機(jī)器人、電動/混合動力汽車、電力傳輸?shù)葢?yīng)用的增加，對電力設(shè)備的需求在不斷增加。因此，提高高電壓、低損耗的電力設(shè)備對于提供高性能、低成本的新型電網(wǎng)應(yīng)用至關(guān)重要。隨著MOSFET和IGBT的發(fā)明，硅基功率開關(guān)器件使系統(tǒng)能夠以更高的效率獲得更大的輸出。

最近的研究表明，碳化硅（SiC）器件是一種新興的技術(shù)，具有許多傳統(tǒng)硅材料所不具備的特性。SiC具有比Si更寬的帶隙，允許更高的電壓阻擋，并使其適合于高功率和高電壓的應(yīng)用。此外，SiC還具有比Si更低的熱阻，這意味著它可以更有效地散熱，具有更高的可靠性

SiC與Si相比的特點(diǎn)和優(yōu)勢

SiC的主要優(yōu)點(diǎn)是其較寬的帶隙，是硅的三倍。SiC的寬禁帶意味著它可以阻擋比硅更大的電壓，使其適合用于高壓電力電子。SiC的高擊穿電壓使其非常適合大功率應(yīng)用，如高壓電源逆變器和轉(zhuǎn)換器。除了寬禁帶外，SiC還具有較低的熱阻，這使其能夠更有效地散熱。這使得它非常適合熱管理是一個關(guān)鍵問題的高溫應(yīng)用。SiC的低熱阻有助于降低功率損耗，提高電力系統(tǒng)的效率。

 

圖1：電場分布示意圖

 

上面的圖說明了在相同擊穿電壓下，SiC和Si單面突變結(jié)中的電場分布?？紤]到SiC的擊穿比Si高10倍，SiC功率器件的阻壓層寬度為1/10，當(dāng)使用Si時，摻雜濃度應(yīng)增加2個數(shù)量級。具有最小反向恢復(fù)(也稱為低反向恢復(fù)電荷)的快速開關(guān)是SiC功率器件的一個重要特點(diǎn)，在電力電子應(yīng)用中有著重要的好處。

在傳統(tǒng)的電力電子學(xué)應(yīng)用中，雙極功率器件，如引腳二極管、IGBT、雙極結(jié)晶體管和晶閘管，由于具有通過少數(shù)載流子注入電導(dǎo)調(diào)制來降低高通阻的能力而被廣泛使用。然而，這種雙極設(shè)計(jì)也導(dǎo)致了少數(shù)載流子存儲，導(dǎo)致開關(guān)速度慢和大的反向恢復(fù)在關(guān)閉操作。

SiC單極器件，如肖特基勢壘二極管（SBD）和場效應(yīng)管，為這些應(yīng)用提供了更好的解決方案。這些器件即使在沒有電導(dǎo)率調(diào)制的情況下也具有較低的導(dǎo)通電阻，并且具有快速的開關(guān)速度和最小的反向恢復(fù)，使其成為中高壓應(yīng)用的理想選擇。

下圖顯示了 SiC 和 Si 的單極和雙極功率器件在額定阻塞電壓方面的主要應(yīng)用。圖 2 顯示了在 300V 至更高電壓范圍內(nèi) SiC 器件將如何取代 Si 器件。

圖2：碳化硅和硅的應(yīng)用

SiC器件的操作

●材料開發(fā)

SiC的研究和開發(fā)初始化，由于需要有體和外延生長技術(shù)的長期運(yùn)作和經(jīng)濟(jì)效益方面的生產(chǎn)。與硅不同，SiC在大氣壓下不熔化，因此必須在2200°C以上的極高溫下通過升華法生長。隨著生長系統(tǒng)中溫度梯度控制的改善和芯片技術(shù)的進(jìn)步，直徑為4英寸、質(zhì)量可接受的單晶SiC芯片現(xiàn)在已經(jīng)很容易獲得。典型的生長溫度為1600°C，生長速率在10到50μm/h之間。生長過程中高氮污染的問題，通過提高C/Si的比例在氣體中使用或通過使用低壓化學(xué)氣相沉積（CVD）。

工藝開發(fā)

SiC中雜質(zhì)的低擴(kuò)散常數(shù)使得雜質(zhì)摻雜擴(kuò)散不可行。因此，離子注入和生長過程中的原位摻雜是唯一的技術(shù)用于SiC器件的制造。離子注入SiC最顯著的方面是在極高的溫度下進(jìn)行離子注入后退火。注入后退火所需的高溫使離子注入成為SiC器件制造的第一步。盡管受到高溫退火，注入的原子經(jīng)歷非常小的擴(kuò)散。

各種SiC功率器件的特性

SiC 功率二極管

肖特基接觸的功率二極管的設(shè)計(jì)，以盡量減少反向漏電流，并減少正向壓降，使其適用于高功率應(yīng)用。通過形成靠近肖特基接觸邊緣的p型區(qū)域，場擁擠效應(yīng)被抑制，導(dǎo)致更低的電阻和更高的載流容量。

圖3：SiC與金屬n型高度形成的功函數(shù)。

 

圖3顯示了如何在1.0 eV至2.2 eV的范圍內(nèi)控制勢壘高度。600- 1700 V肖特基勢壘二極管的理想高度約為1.1 -1.2 eV。這些二極管最適合于開關(guān)電源設(shè)備等高頻功率轉(zhuǎn)換設(shè)備。

SiC 功率開關(guān)器件

MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）是一種功率開關(guān)器件，通常用于各種應(yīng)用，包括高功率轉(zhuǎn)換、電機(jī)控制和開關(guān)電源。

 

圖4：SiC功率器件比導(dǎo)通電阻與阻擋電壓的關(guān)系

 

圖4描述了SiC功率器件及其電阻與阻塞電壓的關(guān)系.當(dāng)涉及到JFET時，只有一個pn結(jié)沒有任何氧化物可靠性問題。為了抑制電場對溝道區(qū)的滲透，埋地p柵的結(jié)構(gòu)是必不可少的。由于SiC的高擊穿極限，SiC功率MOSFET比Si具有更好的性能。此外，溝槽MOSFET是另一種高填充密度電池的功率器件.它們具有較高的信道移動性水平，在高頻交換中非常有用.

結(jié)論

碳化硅(SiC)基器件在高電壓、低損耗功率器件的電路工作方面表現(xiàn)出更強(qiáng)的電路彈性。SiC作為一種材料與其前身硅(Si)相比具有很好的電學(xué)特性，在大功率開關(guān)應(yīng)用中具有更高的效率。

隨著進(jìn)一步的研究和開發(fā)，碳化硅電源系統(tǒng)有能力被集成到各種功率轉(zhuǎn)換器/逆變器在高溫下，由于其長期的可靠性。