近年來，使用“功率元器件”或“功率半導(dǎo)體”等說法，以大功率低損耗為目的二極管和晶體管等分立(分立半導(dǎo)體)元器件備受矚目。這是因為，為了應(yīng)對全球共通的 “節(jié)能化”和“小型化”課題，需要高效率高性能的功率元器件。
然而，最近經(jīng)常聽到的“功率元器件”，具體來說是基于什么定義來分類的呢?恐怕是沒有一個明確的分類的，但是，可按以高電壓大功率的AC/DC轉(zhuǎn)換和功率轉(zhuǎn)換為目的的二極管和MOSFET，以及作為電源輸出段的功率模塊等來分類等等。
在這里，分以下二個方面進(jìn)行闡述：一是以傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的“硅(Si)功率元器件”，另一是與Si半導(dǎo)體相比，損耗更低，高溫環(huán)境條件下工作特性優(yōu)異，有望成為新一代低損耗元件的“碳化硅(SiC)功率元器件”。SiC半導(dǎo)體已經(jīng)開始實際應(yīng)用，并且還應(yīng)用在對品質(zhì)可靠性要求很嚴(yán)苛的車載設(shè)備上。提起SiC，可能在有些人的印象中是使用在大功率的特殊應(yīng)用上的，但是實際上，它卻是在我們身邊的應(yīng)用中對節(jié)能和小型化貢獻(xiàn)巨大的功率元器件。碳化硅(SiC)是比較新的半導(dǎo)體材料。一開始，我們先來了解一下它的物理特性和特征。
SiC的物理特性和特征
SiC是由硅(Si)和碳(C)組成的化合物半導(dǎo)體材料。其結(jié)合力非常強，在熱、化學(xué)、機(jī)械方面都非常穩(wěn)定。SiC存在各種多型體(多晶型體)，它們的物理特性值各有不同。4H-SiC最適用于功率元器件。下表為Si和近幾年經(jīng)常聽到的半導(dǎo)體材料的比較。表中黃色高亮部分是Si與SiC的比較。藍(lán)色部分是用于功率元器件時的重要參數(shù)。如數(shù)值所示，SiC的這些參數(shù)頗具優(yōu)勢。另外，與其他新材料不同，它的一大特征是元器件制造所需的p型、n型控制范圍很廣，這點與Si相同。基于這些優(yōu)勢，SiC作為超越Si限制的功率元器件用材料備受期待。
· Si和C是1對1的比例結(jié)合的Ⅳ-Ⅳ族化合物半導(dǎo)體
· 以Si和C的原子對為單元層的最密堆積構(gòu)造
· 存在各種多型體，且4H-SiC最適用于功率元器件
· 結(jié)合力非常強 ? 熱、化學(xué)、機(jī)械方面穩(wěn)定
o 熱穩(wěn)定性 ：常壓狀態(tài)下無液層，2000℃升華
o 機(jī)械穩(wěn)定性：莫氏硬度(9.3)，可以媲美鉆石(10)
o 化學(xué)穩(wěn)定性 ：對大部分酸和堿具有惰性
SiC功率元器件的特征
SiC比Si的絕緣擊穿場強高約10倍，可耐600V～數(shù)千V的高壓。此時，與Si元器件相比,可提高雜質(zhì)濃度，且可使膜厚的漂移層變薄。高耐壓功率元器件的電阻成分大多是漂移層的電阻，阻值與漂移層的厚度成比例增加。因為SiC的漂移層可以變薄，所以可制作單位面積的導(dǎo)通電阻非常低的高耐壓元器件。理論上,只要耐壓相同，與Si相比,SiC的單位面積漂移層電阻可低至1/300。
Si 功率元器件為改善高耐壓化產(chǎn)生的導(dǎo)通電阻増大問題，主要使用IGBT(絕緣柵極雙極晶體管)等少數(shù)載流子元器件(雙極元器件)。但因為開關(guān)損耗大而具有發(fā)熱問題，實現(xiàn)高頻驅(qū)動存在界限。由于SiC能使肖特基勢壘二極管和MOSFET等高速多數(shù)載流子元器件的耐壓更高，因此能夠同時實現(xiàn) “高耐壓”、“低導(dǎo)通電阻”、“高速”。
此時，帶隙是Si的約3倍，能夠在更高溫度下工作?，F(xiàn)在，受封裝耐熱性的制約可保證150℃～175℃的工作溫度，但隨著封裝技術(shù)的發(fā)展將能達(dá)到200℃以上。
以上簡略介紹了一些要點,對于沒有物理特性和工藝基礎(chǔ)的人來說可能有些難，但請放心,即使不理解上述內(nèi)容也能使用SiC功率元器件。
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