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信息来源:KIA半导体 日期:2016-03-16 

近些年来,随着节能意识几乎在所有的领域持续高涨,在高电压工业设备领域中,可实现节能并支持高电压的功率半导体和电源IC应用也越来越广泛。其中,与现有的Si功率半导体相比,可支持更高电压、有助于实现小型化且更加节电的SiC功率半导体备受瞩目。



碳化硅(SiC)是一种Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体材料,具有多种同素异构类型。其典型结构可分为两类:一类是闪锌矿结构的立方SiC晶型,称为3C或 β-SiC,这里3指的是周期性次序中面的数目;另一类是六角型或菱形结构的大周期结构,其中典型的有6H、4H、15R等,统称为α-SiC。与Si相 比,SiC材料具有更大的Eg、Ec、Vsat、λ。大的Eg使SiC可以工作于650℃以上的高温环境,并具有极好的抗辐射性能。


相比于Si器件,SiC功率器件的优势体现在哪些方面?

作为一种宽禁带半导体材料,SiC对功率半导体可以说是一个冲击。这种材料不但击穿电场强度高、热稳定性好,还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高等特 点。具体来看,其导热性能是Si材料的3倍以上;在相同反压下,SiC材料的击穿电场强度比Si高10倍,而内阻仅是Si片的百分之一。SiC器件的工作 温度可以达到600℃,而一般的Si器件最多能坚持到150℃。

因为这些特性,SiC可以用来制造各种耐高温的高频大功率器件,应用于Si 器件难以胜任的场合。以SiC肖特基二极管为例,它是速度最快的高压肖特基二极管,无需反向恢复充电,可大幅降低开关损耗、提高开关频率,适用于比采用硅 技术的肖特基二极管高得多的操作电压范围,例如,600V SiC肖特基二极管可以用在SMPS中,300V SiC肖特基二极管可以用作48~60V快速输出开关电源的整流二极管,而1,200V SiC肖特基二极管与硅IGBT组合后可以作为理想的续流二极管。

采用硅材料的MOSFET在提高器件阻断电压时,必须加宽器件的漂移区,这会使其内阻迅速增大,压降增高,损耗增大。阻断电压范围在 1,200~1,800V的硅MOSFET不仅体积大,而且价格昂贵。IGBT虽然在高压应用时可降低导通功耗,但若开关频率增加时,开关功耗亦随之增 大。因此IGBT在高频开关电源上亦有其本身的限制。而用SiC做衬底的MOSFET,可轻易做到1,000~2,000伏的MOSFET,其开关特性 (结电容值,开关损耗,开关波型等)则与100多伏的硅MOSFET相若,导通电阻更可低至毫欧值。在高压开关电源应用上,完全可取代硅IGBT并可提高 系统的整体效率以及开关频率。


价格较贵是否会是采用SiC功率器件的一个阻碍?

单就Si器件和SiC器件的价差来看,确实有较大的差异,但如果从SiC器件带来的系统性能提升来看,将会发现其带来的总体效益远远超过两类器件的价差。在SiC特别适合的高压应用中,如果充分发挥SiC器件的特性,这一整体优势表现得非常明显。

具 体来看,其整体优势主要体现在下面几个方面:一是SiC功率器件带来开关损耗的大幅降低,可以大大提高系统的效率;二是因为SiC器件无反向恢复、散热性 能好等特点,减少周边器件的使用或者采用体积较小的器件,线路也得到优化,从而在整体上缩减了系统尺寸;最后,因为效率提高、器件精简从而获得了系统整体 成本的节约。



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