由于MOSFET和IGBT的發(fā)展，硅基功率開關(guān)器件使系統(tǒng)能夠在以更高的效率運行時產(chǎn)生更多的功率。本文主要介紹SiC相對于Si的特性和優(yōu)勢，SiC器件的操作以及各種SiC功率器件的特性。

　　在當(dāng)今的現(xiàn)代世界中，由于加熱、機器人、電動/混合動力汽車、電力傳輸?shù)葢?yīng)用的增加，對基于功率的設(shè)備的需求正在上升。由于這些因素，增強高電壓和低損耗的基于功率的器件對于提供高性能和低成本的創(chuàng)新電網(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)能夠以更高的效率實現(xiàn)更大的輸出。

　　最近的研究表明，碳化硅（SiC）器件是一種新興技術(shù)，具有傳統(tǒng)硅所缺乏的多種功能。SiC具有比Si更寬的帶隙，允許更高的電壓阻斷，并使其適用于高功率和高壓應(yīng)用。此外，SiC的熱阻也比Si低，這意味著它可以更有效地散熱，可靠性更高。

　　碳化硅相對于硅的特性和優(yōu)勢

　　SiC的主要優(yōu)點是其寬帶隙，比硅大三倍。SiC的寬帶隙意味著它可以阻擋比硅更大的電壓，使其適用于高壓電力電子設(shè)備。SiC的高擊穿電壓使其成為高壓電源逆變器和轉(zhuǎn)換器等高功率應(yīng)用的理想選擇。除了寬帶隙外，SiC還具有低熱阻，這使其能夠更有效地散熱。這使其成為高溫應(yīng)用的理想選擇，其中熱管理是一個關(guān)鍵問題。SiC的低熱阻有助于降低功率損耗并提高電源系統(tǒng)的效率。


　　上圖顯示了在相同擊穿電壓下SiC和Si的單側(cè)突發(fā)結(jié)中的電場分布。考慮到SiC的擊穿比Si高1倍，SiC功率器件的阻壓層寬度為10/<>，當(dāng)參考Si對應(yīng)物時，摻雜濃度應(yīng)增加兩個數(shù)量級。具有最小反向恢復(fù)的快速開關(guān)（也稱為低反向恢復(fù)電荷）是SiC功率器件的一個重要特性，在電力電子應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢。

　　在傳統(tǒng)的電力電子應(yīng)用中，雙極性功率器件（如PiN二極管、IGBT、雙極結(jié)型晶體管和晶閘管）已被普遍使用，因為它們能夠通過少數(shù)載流子注入的電導(dǎo)率調(diào)制來降低高導(dǎo)通電阻。然而，這種雙極性設(shè)計也會導(dǎo)致少數(shù)載波存儲，導(dǎo)致關(guān)斷操作中的開關(guān)速度較慢和反向恢復(fù)較大。

　　肖特基勢壘二極管（SBD）和FET等SiC單極器件為這些應(yīng)用提供了更好的解決方案。即使沒有電導(dǎo)率調(diào)制，這些器件也具有低導(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。

　　下圖顯示了用于SiC和Si的單極性和雙極性功率器件在額定阻斷電壓方面的主要應(yīng)用。圖2顯示了SiC器件將如何取代300 V至更高電壓范圍內(nèi)的Si器件。


　　碳化硅器件的操作

　　●材料開發(fā)

　　SiC研發(fā)的啟動是由于需要具有長期運營和生產(chǎn)經(jīng)濟效益的體積和外延生長技術(shù)。與硅不同，SiC在大氣壓下不會熔化，因此必須在2200°C以上的極高溫度下通過升華方法生長。隨著生長系統(tǒng)中溫度梯度控制的改進和晶圓技術(shù)的進步，現(xiàn)在可以輕松獲得直徑為1600英寸且質(zhì)量可接受的單晶SiC晶片。典型的生長溫度為10°C，生長速率在50至<>μm/h之間。通過提高所用氣體中的C/Si比或使用低壓化學(xué)氣相沉積（CVD），解決了生長過程中高氮污染的問題。

　　●工藝開發(fā)

　　SiC中雜質(zhì)的擴散常數(shù)低，使得擴散對于雜質(zhì)摻雜是不切實際的。因此，生長過程中的離子注入和原位摻雜是制造SiC器件的唯一技術(shù)。離子注入SiC最顯著的方面是在極高的溫度下進行注入后退火。植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。盡管經(jīng)過高溫退火，植入的原子經(jīng)歷的擴散很少。

　　各種碳化硅功率器件的特性

　　●碳化硅功率二極管

　　帶有肖特基觸點的功率二極管旨在最大限度地減少反向漏電流并降低正向壓降，使其適用于大功率應(yīng)用。通過在肖特基接觸邊緣附近形成p型區(qū)域，抑制了場擁擠效應(yīng)，從而降低了電阻，提高了載流能力。

　　基于碳化硅（SiC）的器件在高電壓、低損耗功率器件的電路操作方面表現(xiàn)出更大的電路彈性。與其前身硅（Si）相比，SiC作為一種材料具有出色的電氣特性，在高功率開關(guān)應(yīng)用中具有更高的效率。

　　隨著進一步的研究和開發(fā)，SiC電源系統(tǒng)由于其長期可靠性，能夠在高溫下集成到各種功率轉(zhuǎn)換器/逆變器中。