碳化硅相对于硅的特性和优势有哪些

　　由于MOSFET和IGBT的发展，硅基功率开关器件使系统能够在以更高的效率运行时产生更多的功率。本文主要介绍SiC相对于Si的特性和优势，SiC器件的操作以及各种SiC功率器件的特性。

　　在当今的现代世界中，由于加热、机器人、电动/混合动力汽车、电力传输等应用的增加，对基于功率的设备的需求正在上升。由于这些因素，增强高电压和低损耗的基于功率的器件对于提供高性能和低成本的创新电网应用至关重要。随着MOSFET和IGBT的发明，硅基功率开关器件使系统能够以更高的效率实现更大的输出。

　　最近的研究表明，碳化硅（SiC）器件是一种新兴技术，具有传统硅所缺乏的多种功能。SiC具有比Si更宽的带隙，允许更高的电压阻断，并使其适用于高功率和高压应用。此外，SiC的热阻也比Si低，这意味着它可以更有效地散热，可靠性更高。

　　碳化硅相对于硅的特性和优势

　　SiC的主要优点是其宽带隙，比硅大三倍。SiC的宽带隙意味着它可以阻挡比硅更大的电压，使其适用于高压电力电子设备。SiC的高击穿电压使其成为高压电源逆变器和转换器等高功率应用的理想选择。除了宽带隙外，SiC还具有低热阻，这使其能够更有效地散热。这使其成为高温应用的理想选择，其中热管理是一个关键问题。SiC的低热阻有助于降低功率损耗并提高电源系统的效率。

　　上图显示了在相同击穿电压下SiC和Si的单侧突发结中的电场分布。考虑到SiC的击穿比Si高1倍，SiC功率器件的阻压层宽度为10/<>，当参考Si对应物时，掺杂浓度应增加两个数量级。具有最小反向恢复的快速开关（也称为低反向恢复电荷）是SiC功率器件的一个重要特性，在电力电子应用中具有显著优势。

　　在传统的电力电子应用中，双极性功率器件（如PiN二极管、IGBT、双极结型晶体管和晶闸管）已被普遍使用，因为它们能够通过少数载流子注入的电导率调制来降低高导通电阻。然而，这种双极性设计也会导致少数载波存储，导致关断操作中的开关速度较慢和反向恢复较大。

　　肖特基势垒二极管（SBD）和FET等SiC单极器件为这些应用提供了更好的解决方案。即使没有电导率调制，这些器件也具有低导通电阻，并且具有快速的开关速度和最小的反向恢复，使其成为中高压应用的理想选择。

　　下图显示了用于SiC和Si的单极性和双极性功率器件在额定阻断电压方面的主要应用。图2显示了SiC器件将如何取代300 V至更高电压范围内的Si器件。

　　碳化硅器件的操作

　　●材料开发

　　SiC研发的启动是由于需要具有长期运营和生产经济效益的体积和外延生长技术。与硅不同，SiC在大气压下不会熔化，因此必须在2200°C以上的极高温度下通过升华方法生长。随着生长系统中温度梯度控制的改进和晶圆技术的进步，现在可以轻松获得直径为1600英寸且质量可接受的单晶SiC晶片。典型的生长温度为10°C，生长速率在50至<>μm/h之间。通过提高所用气体中的C/Si比或使用低压化学气相沉积（CVD），解决了生长过程中高氮污染的问题。

　　●工艺开发

　　SiC中杂质的扩散常数低，使得扩散对于杂质掺杂是不切实际的。因此，生长过程中的离子注入和原位掺杂是制造SiC器件的唯一技术。离子注入SiC最显着的方面是在极高的温度下进行注入后退火。植入后退火所需的高温使离子注入成为SiC器件制造的第一步。尽管经过高温退火，植入的原子经历的扩散很少。

　　各种碳化硅功率器件的特性

　　●碳化硅功率二极管

　　带有肖特基触点的功率二极管旨在最大限度地减少反向漏电流并降低正向压降，使其适用于大功率应用。通过在肖特基接触边缘附近形成p型区域，抑制了场拥挤效应，从而降低了电阻，提高了载流能力。

　　基于碳化硅（SiC）的器件在高电压、低损耗功率器件的电路操作方面表现出更大的电路弹性。与其前身硅（Si）相比，SiC作为一种材料具有出色的电气特性，在高功率开关应用中具有更高的效率。

　　随着进一步的研究和开发，SiC电源系统由于其长期可靠性，能够在高温下集成到各种功率转换器/逆变器中。

　




审核编辑：刘清