深入了解, SiC MOSFTE 中的导通电阻 Ron~

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       1980 年前后,巴利加发明了绝缘栅双极型晶体管 IGBT,前面我们也是很多篇幅都是在聊 IGBT,其结合了 BJT 和 MOSFET 的优势,从而带来了逆变电路的革新。而在 1980 年的时候,SiC 晶体生长的突破也使得其器件的研发,并且 1991 年的时候发布了第一批商用 SiC 晶片。


       1994 年,经过结构和工艺的优化后,电阻率得到了改善,并于 2001 年发布了第一款 SiC SBD。其典型应用之一是用在电源中的快速二极管,由于其反向恢复快到可以忽略,所以能够显著地降低开关损耗和提高开关频率,从而减小无源器件的尺寸。所以,SiC SBD 被迅速用于各种电源系统,如电源、光伏系统、空调等,并且 SiC 二极管的最大阻断电压已经能够超过 25kV。


       随着 SiC SBD 的发展,基于 SiC 的 MOSFET 也在不断地发展和进化。随着 MOSFET 沟道迁移率和氧化物可靠性不断提升,2010 年开始,SiC 功率 MOS 开始商业化,市场不断扩大。根据系统中采用 SiC 器件比例的大小,电源或者逆变器的体积和重量能够减少 2-10 倍,功率密度大幅提升;同时功耗也是显著降低,带来的是转换系统效率越来越高。


       下面我们就来聊聊 SiC MOSFET 的一些事儿~


       首先,我们来聊聊导通电阻 Ron,下面是一张 SiC MOSFET 导通电阻主要组成的示意图:

 

 

       功率 MOS 的导通电阻主要包括多个电阻的串联,对于 SiC MOSFET 来说,其漂移层电阻相比于具有相同阻断电压的 Si 功率 MOS 来说低了 100 倍以上。而沟道电阻和 JFET 电阻(两个相邻 p 阱之间的电阻)是阻断电压高达 2-3kV SiC MOS 的主要因素;高于 3-5kV 的时候,其导通电阻主要由漂移层电阻决定,类似于 600V-1200V 硅 MOS 的情况。


       上面的示意图是平面双注入的 DIMMOSFET 的,为了改善沟道迁移率对 SiC MOS 沟道电阻的限制,我们可以采用下面的方法:

       ★增强沟道流动性

       ★减小沟道长度

       ★减小单元间距

 

       减小沟道长度有利于降低导通电阻,但是需要注意沟道效应的影响,否则阈值电压会降低,漏电流会增大;而减小单元间距,可以有效地增加单元密度,但是 p 阱地间距变短时,JFET 电阻相应地会大大增大,这些都需要权衡,沟槽式的 MOS 理论上没有 JFET 电阻,所以可以进行大规模地缩短单元间距,这也是为什么沟槽 MOS 导通电阻非常小的原因之一。

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