SiC功率半导体器件的一些特点特性

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        温故而知新,我们在使用碳化硅功率器件的时,不妨先学习学习关于碳化硅的一些特点特性,或许你能从中得到不一样的启发,你说呢?

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功率器件要求

        功率半导体器件作为功率变换系统的核心器件,目前应用最多的仍旧是 IGBT,在很多时候还需要搭配合适的反向并联二极管。任何情况下,功率器件都是在"导通"和"截止"两个状态之间切换,类似于集成电路中的逻辑器件,通过切换来达到电力转换的需求,切换频率一般在 1kHz~100kHz 的范围内。


        在功率转换系统中,比如说逆变电路,我们都希望开关器件的导通和截止状态下都是理想的,即导通状态下电压为零;在截止状态下,漏电流为零(击穿电压无限大)。这显然是不可能的,实际的器件表现出有限的电阻和有限的漏电流(以及击穿电压存在最大值的限制),这也是导通损耗和关断损耗的主要原因。另外,在开关的过程中的瞬态行为都会存在开关损耗。


        下图是开关器件以及二极管的理想状态和实际状态的对比图:

 

 

        现实与理想的差异,对于功率器件的主要要求包括:

        ✦低导通电压(低导通电阻)

        ✦低漏电流

        ✦能够以最小的电流 / 电压进行快速切换

 

        这些与导通损耗、关断损耗和开关损耗有着直接的关系。除此之外,

        ✦较大的安全工作区域(鲁棒性)和可靠性也是极为重要!

 

        而在这些方面,SiC 表现出了巨大的发展潜力。

2
电场强度、导通电阻

        下图是相同击穿电压下 SiC 和 Si 的单侧突变结中的电场分布:

 

 

        可见,SiC 的击穿电场强度是 Si 的 10 倍左右,所以 SiC 功率器件中的电压阻挡层的厚度可以是 Si 器件中的 1/10。并且其掺杂浓度也可以高出两个数量级,因此在任何给定的阻断电压下,SiC 代替 Si 的单极器件中可以将漂移层的电阻降低 2~3 个数量级。


        这一特点对于高压场合显得尤为重要,漂移层电阻 Rdrift 与阻断电压 VB 的(2~2.5,这个系数需要综合考虑来确定)成比例,并且也是觉得器件总导通电阻 Ron 的主要因素。


        没有内置电压的功率器件的导通损耗 Pon,由 Ron*J²on 决定,其中 Jon 是导通电流密度(在额定电流下一般为 100~300A/cm²)。因此,SiC 器件极低的抗漂移性有助于降低导通损耗。


        下图是 Si 和 SiC 单极器件的最小导通电阻(漂移层电阻)相对于阻断电压的曲线:

 

 

        最小导通电阻我们可以由下式得出:


Rdrift=4VB²/(ηεμEB³)


        其中,ε、μ和 EB 分别是介电常数、迁移率和击穿场强;η是室温下掺杂剂的电离率(“2 次方”是上文提到的系数)。


        在轻掺杂的 n 型 SiC 中,由于氮供体相对较浅,η约为 0.85~1.0。这对于宽带隙半导体尤为重要,在宽带隙半导体中经常会观察到掺杂剂的不完全电离,实际上,由于室温下铝受体的空穴迁移率较低并且离子化率小,所以 p 型 SiC 肖特基二极管和功率 MOS 无法与 Si 基竞争。

3
"快速"切换

        SiC 功率器件的另一个重要特点就是快速切换,反向恢复小,能够满足更高的频率。中高压应用中,Si 基的双极型器件通过少数载流子的注入,电导率调制能够显著的降低导通电阻。但是,双极型器件存在少数载流子存储的原因,导致开关速度较慢以及关断操作中的反向恢复大。而,这些应用中,SiC 单极器件由于导通电阻很低并且不存在少数载流子存储,可以成为较理想的选择。SiC 双极型器件也可以提供快速切换,因为电压阻挡区的厚度薄了约 10 倍(上面提到过),与 Si 的双极型器件相比,该区域中存储的电荷相应地小了约 10 倍。

4
高结温和工艺技术

        由于带隙宽和化学稳定性,使用 SiC 器件的设备可以在高温(>250℃)下运行,这一点在当下的应用中无疑十分吸引人,更高的温度上限可以优化散热装置,而 SiC 器件本身甚至可以在 500℃或更高的温度下运行。


        而封装技术是 SiC 功率器件发展的另一个重要问题。


        比如,由于掺杂剂在 SiC 中极小的扩散常数,通过扩散工艺进行杂质掺杂很难实现,所以一般通过外延生长或者离子注入来进行掺杂;
在 SiC 中,即使在高温活化退火之后,高密度的深能级和扩展的缺陷仍保留在离子注入区以及注入尾部内,这导致注入结附近的载流子寿命很短(<0.1us),这不利于双极型器件,所以有效的载流子注入和扩散是必不可少的。


        所以,SiC 双极型器件中的 pn 结仅通过外延生长来制造,但是对于制造 SBD 和 MOSFET 之类的 SiC 单极器件,由于其通过注入结可以获得几乎理想的击穿特性,并且单极器件的正常工作中并不涉及载流子注入,所以离子注入比较有用。



5
更高的电压等级

        下图是 Si 基和 SiC 基的单极 / 双极型功率器件的电压等级分布:

 

 

        对于 Si 基功率器件,单极和双极器件的分界线在 300~600V,而在 SiC 功率器件中,这个边界向后移动了大约 10 倍的阻断电压,即几 kV。预计 SiC 将在 300V~6500V 的阻断电压范围内替代 Si 的双极型器件,并且 SiC 的双极型器件在 10kV 以上的超高压应用中也是"魅"不可挡。


        可见,SiC 的发展不仅在于其本身的特性,还在于外部因素的适配。当然,随着时间的推移,这些都将会逐一解决!

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