碳化硅在電子領(lǐng)域中的應(yīng)用

第一代半導(dǎo)體主要有硅和鍺，由于硅的自然儲(chǔ)量大、制備工藝簡(jiǎn)單，硅成為制造半導(dǎo)體產(chǎn)品的主要原材料，廣泛應(yīng)用于集成電路等低壓、低頻、低功率場(chǎng)景。但是，第一代半導(dǎo)體材料難以滿足高功率及高頻器件需求。

砷化鎵是第二代半導(dǎo)體材料的代表，較高的電子遷移率使其應(yīng)用于光電子和微電子領(lǐng)域，是制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管和通信器件的核心材料。但砷化鎵材料的禁帶寬度較小、擊穿電場(chǎng)低且具有毒性，無(wú)法在高溫、高頻、高功率器件領(lǐng)域推廣。

第三代半導(dǎo)體材料以碳化硅、氮化鎵為代表，與前兩代半導(dǎo)體材料相比最大的優(yōu)勢(shì)是較寬的禁帶寬度，保證了其可擊穿更高的電場(chǎng)強(qiáng)度，適合制備耐高壓、高頻的功率器件，是電動(dòng)汽車、5G 基站、衛(wèi)星等新興領(lǐng)域的理想材料。

碳化硅是第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料，碳化硅功率器件以其優(yōu)異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，能夠有效滿足電力電子系統(tǒng)的高效率、小型化和輕量化要求。

碳化硅MOSFET具有高頻高效，高耐壓，高可靠性?？梢詫?shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，小體積，低重量，高功率密度等特性，在新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì)。

一. 碳化硅MOSFET常見封裝TO247

碳化硅MOSFET是一種基于碳化硅半導(dǎo)體材料的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。它的工作原理類似于傳統(tǒng)的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。主要由以下三個(gè)部分組成：

柵極(Gate)： 柵極是用于控制MOSFET導(dǎo)通的部分。當(dāng)施加正電壓時(shí)，柵極與通道之間形成電場(chǎng)，控制通道的導(dǎo)電性。

源極(Source)和漏極(Drain)： 源極和漏極分別是MOSFET的輸入和輸出端。通過控制柵極電壓，調(diào)節(jié)源極和漏極之間的電流流動(dòng)。

通道(Channel)： 通道是源極和漏極之間的導(dǎo)電路徑。在碳化硅MOSFET中，通道由碳化硅材料構(gòu)成，具有較高的載流子遷移率和耐壓能力。

碳化硅MOSFET的工作原理可以簡(jiǎn)述如下：當(dāng)柵極施加正電壓時(shí)，形成電場(chǎng)，使得通道中的載流子(電子或空穴)移動(dòng)，導(dǎo)致源極和漏極之間形成導(dǎo)電路徑。通過調(diào)節(jié)柵極電壓，可以控制通道中的載流子濃度，從而控制MOSFET的導(dǎo)通程度。

二. 碳化硅MOSFET分平面結(jié)構(gòu)和溝槽結(jié)構(gòu)

三.相對(duì)應(yīng)于硅基MOSFET以及IGBT，碳化硅MOSFTE有以下優(yōu)點(diǎn)：

01

╱ 高工作頻率 ╱

傳統(tǒng)MOSFET工作頻率在60KHZ左右，而碳化硅MOSFET在1MHZ，甚至更高

用途：高頻工作，可以減小電源系統(tǒng)中電容以及電感或變壓器的體積，降低電源成本，讓電源實(shí)現(xiàn)小型化，美觀化。從而實(shí)現(xiàn)電源的升級(jí)換代。

02

╱ 低導(dǎo)通阻抗 ╱

碳化硅MOSFET單管最小內(nèi)阻可以達(dá)到幾個(gè)毫歐，這對(duì)于傳統(tǒng)的MOSFET看來是不可想象的。市場(chǎng)量產(chǎn)碳化硅MOSFET最低內(nèi)阻在16毫歐。

用途：輕松達(dá)到能效要求，減少散熱片使用，降低電源體積和重量，電源溫度更低，可靠性更高。

03

╱ 耐壓高 ╱

碳化硅MOSFET目前量產(chǎn)的耐壓可達(dá)3300V，最高耐壓6500V,一般硅基MOSFET和IGBT常見耐壓耐壓900V-1200V。

04

╱ 耐高溫 ╱

碳化硅MOSFET芯片結(jié)溫可達(dá)300度，可靠性，穩(wěn)定性大大高于硅基MOSFET，

綜上所述：使用碳化硅MOSFET可以讓電源實(shí)現(xiàn)高效率，小體積，在一些高溫，高壓環(huán)境，在一定優(yōu)勢(shì)。

四.碳化硅MOSFET的綜合特性

SiC器件的結(jié)構(gòu)和特征

SiC器件漂移層的阻抗比Si器件低，不需要進(jìn)行電導(dǎo)率調(diào)制就能夠以高頻器件結(jié)構(gòu)的MOSFET實(shí)現(xiàn)高耐壓和低阻抗。而且MOSFET原理上不產(chǎn)生尾電流，所以用SiC MOSFET替代IGBT時(shí)，能夠明顯地減少開關(guān)損耗，并且實(shí)現(xiàn)散熱部件的小型化。另外，SiC MOSFET能夠在IGBT不能工作的高頻條件下驅(qū)動(dòng)，從而也可以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)器件的小型化。與600V～1200V的Si MOSFET相比，SiC MOSFET的優(yōu)勢(shì)在于芯片面積小(可以實(shí)現(xiàn)小型封裝)，而且體二極管的恢復(fù)損耗非常小。

SiC Mosfet的導(dǎo)通電阻

SiC 的絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)是Si 的10倍，所以能夠以低阻抗、薄厚度的漂移層實(shí)現(xiàn)高耐壓。因此，在相同的耐壓值的情況下，SiC 可以得到標(biāo)準(zhǔn)化導(dǎo)通電阻(單位面積導(dǎo)通電阻)更低的器件。例如900V時(shí)，SiC‐MOSFET 的芯片尺寸只需要Si‐MOSFET 的35分之1、SJ‐MOSFET 的10分之1，就可以實(shí)現(xiàn)相同的導(dǎo)通電阻。不僅能夠以小封裝實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻，而且能夠使門極電荷量Qg、結(jié)電容也變小。目前SiC 器件能夠以很低的導(dǎo)通電阻輕松實(shí)現(xiàn)1700V以上的耐壓。因此，沒有必要再采用IGBT這種雙極型器件結(jié)構(gòu)(導(dǎo)通電阻變低，則開關(guān)速度變慢) ，就可以實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻、高耐壓、快速開關(guān)等各優(yōu)點(diǎn)兼?zhèn)涞钠骷?

3Vd-Id特性

SiC‐MOSFET 與IGBT 不同，不存在開啟電壓，所以從小電流到大電流的寬電流范圍內(nèi)都能夠?qū)崿F(xiàn)低導(dǎo)通損耗。而Si MOSFET 在150℃時(shí)導(dǎo)通電阻上升為室溫條件下的2 倍以上，與Si MOSFET 不同，SiC MOSFET的上升率比較低，因此易于熱設(shè)計(jì)，且高溫下的導(dǎo)通電阻也很低。

驅(qū)動(dòng)門極電壓和導(dǎo)通電阻

SiC‐MOSFET 的漂移層阻抗比Si MOSFET 低，但是另一方面，按照現(xiàn)在的技術(shù)水平，SiC MOSFET的MOS 溝道部分的遷移率比較低，所以溝道部的阻抗比Si 器件要高。因此，越高的門極電壓，可以得到越低的導(dǎo)通電阻(Vgs=20V 以上則逐漸飽和)。如果使用一般IGBT 和Si MOSFET 使用的驅(qū)動(dòng)電壓Vgs=10～15V 的話，不能發(fā)揮出SiC 本來的低導(dǎo)通電阻的性能，所以為了得到充分的低導(dǎo)通電阻，推薦使用Vgs=18V左右進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。負(fù)壓建議-3左右。現(xiàn)推出低導(dǎo)通內(nèi)阻的碳化硅MOSFET，Vgs=15V進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，后續(xù)推出Vgs=12V進(jìn)行驅(qū)動(dòng)碳化硅MOSFET,讓驅(qū)動(dòng)電壓和硅基器件一至。

Vg-Id特性

SiC MOSFET 的閾值電壓在數(shù)mA 的情況下定義的話，與Si‐MOSFET 相當(dāng)，室溫下大約3V(常閉)。但是，如果流通幾個(gè)安培電流的話，需要的門極電壓在室溫下約為8V 以上，所以可以認(rèn)為針對(duì)誤觸發(fā)的耐性與IGBT 相當(dāng)。溫度越高，閾值電壓越低。

汽車原始設(shè)備制造商對(duì)電力電子系統(tǒng)的要求對(duì)此類系統(tǒng)的開發(fā)人員來說是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。特別是空間要求、重量和效率起著重要作用。此外，整個(gè)系統(tǒng)的成本和產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的工作量要保持在較低水平，同時(shí)還必須保證產(chǎn)品質(zhì)量和操作安全。

傳統(tǒng)電力電子器件的效率基于硅半導(dǎo)體技術(shù)，通常在85%至95%之間變化。這意味著在每次功率轉(zhuǎn)換期間，大約10%的電能會(huì)以熱量的形式損失。一般來說，可以說電力電子的效率主要受到功率半導(dǎo)體性能特點(diǎn)的限制。由于其物理特性，半導(dǎo)體材料SiC具有滿足這些市場(chǎng)趨勢(shì)要求的巨大潛力。

與硅半導(dǎo)體器件相比，SiC的電場(chǎng)強(qiáng)度高出近十倍(2.8MV/cm對(duì)0.3MV/cm)。這種非常堅(jiān)硬的SiC基板具有更高的電場(chǎng)強(qiáng)度，因此可以將更薄的層結(jié)構(gòu)(即所謂的外延層)施加到SiC襯底上。這相當(dāng)于硅外延層層厚度的十分之一。在相同的阻斷電壓下，SiC的摻雜濃度可以達(dá)到比Si對(duì)應(yīng)物高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，組件的表面電阻(RonA)降低，從而大大降低了直通損耗。