碳化硅晶體管越來越多地用于高壓功率轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗鼈兛梢詽M足這些應(yīng)用對(duì)尺寸、重量和/或效率的嚴(yán)格要求。但為什么這項(xiàng)技術(shù)對(duì)工程師如此著迷呢？該博客將提供一些見解。

碳化硅 (SiC) 的出色材料特性使快速開關(guān)單極器件的設(shè)計(jì)成為可能，而不是絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 開關(guān)。因此，僅在 600V 及以下電壓的低壓世界中可行的解決方案現(xiàn)在也可以在更高的電壓下使用。其結(jié)果是提高了效率、更高的開關(guān)頻率、更少的熱耗散和節(jié)省空間——這些好處反過來又降低了整體系統(tǒng)成本。

Infineon Technologies大約在 30 年前就發(fā)現(xiàn)了這種潛力，并于 1992 年成立了一個(gè)專家團(tuán)隊(duì)來開發(fā)用于高功率工業(yè)應(yīng)用的 SiC 二極管和晶體管。以下是自那時(shí)以來達(dá)到的里程碑的簡(jiǎn)短且不完整的列表：

2001年全球率先推出SiC基肖特基二極管

2006年第一個(gè)包含SiC器件的功率模塊

當(dāng)前第五代SiC二極管的發(fā)布

隨著2017 年創(chuàng)新 Trench CoolSiC ? MOSFET的首次亮相，菲拉赫創(chuàng)新工廠全面轉(zhuǎn)向 150mm 晶圓技術(shù)

在以可靠的 SiC 器件為目標(biāo)時(shí)，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ( MOSFET ) 已被普遍接受為首選概念。最初，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (JFET) 結(jié)構(gòu)似乎是在 SiC 晶體管中兼顧性能和可靠性的最終解決方案。然而，隨著 150mm 晶圓技術(shù)的成熟，基于溝槽的 SiC MOSFET 已變得可行。這樣一來，雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體（DMOS）結(jié)構(gòu)既要有性能，又要有高可靠性的困境可以得到解決。

基于寬帶隙的功率器件——例如 SiC 二極管和晶體管，或氮化鎵高電子遷移率晶體管 ( GaN HEMT )——是當(dāng)今功率電子設(shè)計(jì)人員圖書館中的常見元件。但為什么？與傳統(tǒng)硅相比，碳化硅有何迷人之處？是什么讓 SiC 元件對(duì)設(shè)計(jì)工程師如此有吸引力，以至于他們?cè)谠O(shè)計(jì)中如此頻繁地使用它們，盡管與硅高壓器件相比它們的成本更高？讓我們來看看幾個(gè)原因。

低損耗和高擊穿場(chǎng)是關(guān)鍵

在電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)工程師不斷努力減少轉(zhuǎn)換過程中的能量損失?，F(xiàn)代系統(tǒng)基于固態(tài)晶體管與無源元件一起打開和關(guān)閉的技術(shù)。對(duì)于與所用晶體管相關(guān)的損耗，有幾個(gè)方面是相關(guān)的。

首先，設(shè)計(jì)工程師必須考慮傳導(dǎo)階段的損耗。在 MOSFET 中，這些由經(jīng)典電阻定義。在 IGBT 中，它是拐點(diǎn)電壓 (V ce_sat )形式的固定傳導(dǎo)損耗確定器，另外還有輸出特性的微分電阻。阻塞階段的損失通常可以忽略不計(jì)。

其次，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該考慮到在開關(guān)期間始終存在 ON 和 OFF 狀態(tài)之間的過渡階段（圖 1）。相關(guān)損耗主要由器件電容定義。在 IGBT 中，由于少數(shù)載流子動(dòng)力學(xué)（導(dǎo)通峰值、尾電流），進(jìn)一步做出了貢獻(xiàn)。

基于這些考慮，您會(huì)期望選擇的器件始終是 MOSFET。然而，特別是對(duì)于高電壓，硅MOSFET的電阻變得如此之高，以至于總損耗平衡不如 IGBT，因?yàn)樗鼈兛梢允褂蒙贁?shù)載流子的電荷調(diào)制來降低導(dǎo)通模式的電阻。

圖 1：圖中顯示了開關(guān)過程和靜態(tài) IV 行為的圖形比較。（來源：英飛凌科技）

當(dāng)考慮寬帶隙半導(dǎo)體時(shí)，情況發(fā)生了變化。圖 2總結(jié)了 SiC 和 GaN 與硅最重要的物理特性。帶隙和半導(dǎo)體的臨界電場(chǎng)之間的直接相關(guān)性是顯著的。對(duì)于 SiC，它大約是硅的 10 倍。

圖 2：圖像突出顯示了 SiC 和 GaN 與硅的關(guān)鍵物理特性。（來源：英飛凌科技）

有了這個(gè)特點(diǎn)，高壓元件的設(shè)計(jì)就不同了。圖 3以 5kV 半導(dǎo)體器件為例顯示了影響。在硅的情況下，由于適度的內(nèi)部擊穿電場(chǎng)，半導(dǎo)體設(shè)計(jì)人員被迫使用相對(duì)較厚的有源區(qū)。此外，只有少數(shù)摻雜劑可以摻入有源區(qū)，從而導(dǎo)致高串聯(lián)電阻（如圖1所示）。

圖 3：SiC 允許更薄的半導(dǎo)體有源區(qū)。（來源：英飛凌科技）

SiC 的擊穿場(chǎng)高 10 倍，有源區(qū)可以做得更薄。同時(shí)，可以結(jié)合更多的自由載流子，因此可以實(shí)現(xiàn)更高的電導(dǎo)率?？梢哉f，就碳化硅而言，快速開關(guān)單極器件（例如 MOSFET 或肖特基二極管）與較慢的雙極結(jié)構(gòu)（例如 IGBT 和 pn 二極管）之間的過渡現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)向更高的阻斷電壓（圖 4） ).

圖 4：SiC 提供比傳統(tǒng)硅更高的阻斷電壓。（來源：英飛凌科技）

反之亦然：在 50V 左右的低電壓范圍內(nèi)使用硅可能實(shí)現(xiàn)的功能對(duì)于 1200V 設(shè)備而言是可行的 SiC。

結(jié)論

WBG 技術(shù)的進(jìn)步和碳化硅的卓越材料特性使這些設(shè)備能夠以更快的開關(guān)速度、低開關(guān)損耗和更薄的有源區(qū)運(yùn)行，從而使設(shè)計(jì)具有更高的效率、更高的開關(guān)頻率和更好的空間節(jié)省。因此，SiC MOSFET 正成為功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中優(yōu)于傳統(tǒng)硅的首選。

SiC MOSFET的優(yōu)勢(shì)和用例是什么？博客由 Peter Friedrichs 撰寫，首次發(fā)布在 infineon.com 上。經(jīng)英飛凌許可，貿(mào)澤更新并重新發(fā)布了該博客。

審核編輯黃昊宇