采用SiC材料元器件的特性結構介紹

1、SiC材料的物性和特征

SiC（碳化硅）是一種由Si（硅）和C（碳）構成的化合物半導體材料。SiC臨界擊穿場強是Si的10倍，帶隙是Si的3倍，熱導率是Si的3倍，所以被認為是一種超越Si極限的功率器件材料。SiC中存在各種多種晶型，它們的物性值也各不相同。其中，4H-SiC最合適用于功率器件制作。另外，SiC是唯一能夠熱氧化形成SiO2的化合物半導體，所以適合制備MOS型功率器件。

2、功率器件的特征

SiC的臨界擊穿場強是Si的10倍，因此與Si器件相比，能夠以具有更高的雜質濃度和更薄的厚度的漂移層作出高耐壓功率器件。高耐壓功率器件的導通電阻主要來源于漂移層電阻，因此采用SiC可以得到單位面積導通電阻非常低的高耐壓器件。理論上，相同耐壓的器件，SiC的單位面積的漂移層電阻可以降低到Si的1/300。而Si材料中，為了改善伴隨高耐壓化而引起的導通電阻增大的問題，主要采用如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor : 絕緣柵雙極型晶體管)等少數(shù)載流子器件（雙極型器件），但是卻存在開關損耗大的問題，其結果是由此產生的發(fā)熱會限制IGBT的高頻驅動。SiC材料卻能夠以高頻器件結構的多數(shù)載流子器件(肖特基勢壘二極管和MOSFET)去實現(xiàn)高耐壓，從而同時實現(xiàn)"高耐壓"、"低導通電阻"、"高頻"這三個特性。另外，帶隙較寬，是Si的3倍，因此SiC功率器件即使在高溫下也可以穩(wěn)定工作。

3、SiC MOSFET特征

a、器件結構和特征

Si材料中越是高耐壓器件，單位面積的導通電阻也越大（以耐壓值的約2～2.5次方的比例增加），因此600V以上的電壓中主要采用IGBT（絕緣柵極雙極型晶體管）。IGBT通過電導率調制，向漂移層內注入作為少數(shù)載流子的空穴，因此導通電阻比MOSFET還要小，但是同時由于少數(shù)載流子的積聚，在Turn-off時會產生尾電流，從而造成極大的開關損耗。SiC器件漂移層電阻比Si器件低，不需要進行電導調制就能夠以MOSFET實現(xiàn)高耐壓和低導通電阻。而且MOSFET原理上不產生尾電流，所以用SiC-MOSFET替代IGBT時，能夠明顯地減少開關損耗，并且實現(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動，從而也可以實現(xiàn)無源器件的小型化。與600V～900V的Si-MOSFET相比，SiC-MOSFET的優(yōu)勢在于芯片面積?。蓪崿F(xiàn)小型封裝），而且體二極管的恢復損耗非常小。主要應用于工業(yè)機器電源、高效率功率調節(jié)器的逆變器或轉換器中。

b、標準化導通電阻

SiC的絕緣擊穿場強是Si的10倍，所以能夠以低阻抗、薄厚度的漂移層實現(xiàn)高耐壓。因此，在相同的耐壓值情況下，SiC可以得到單位面積導通電阻更低的器件。例如900V時，SiC-MOSFET的芯片尺寸只需要Si-MOSFET的35分之1、SJ-MOSFET的10分之1，就可以實現(xiàn)相同的導通電阻。不僅能夠以小封裝實現(xiàn)低導通電阻，而且能夠使門極電荷量Qg、結電容也變小。SJ-MOSFET只有900V的產品，但是SiC卻能夠以很低的導通電阻輕松實現(xiàn)1700V以上的耐壓。因此，沒有必要再采用IGBT這種雙極型器件結構（導通電阻變低，則開關速度變慢），就可以實現(xiàn)低導通電阻、高耐壓、快速開關等各優(yōu)點兼?zhèn)涞钠骷?/p>

c、Vd-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都能夠實現(xiàn)低導通損耗。而Si-MOSFET在150℃時導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，因此易于熱設計，且高溫下的導通電阻也很低。

d、驅動門極電壓和導通電阻

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，可以得到越低的導通電阻(Vgs=20V以上則逐漸飽和)。