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干货 | 关于SiC的“十问十答”
旺材芯片 | 2021-03-21 00:14:45    阅读:5717   发布文章

碳化硅(SiC)是由硅(Si)和碳(C)组成的半导体化合物,属于宽带隙(WBG)系列材料。它的物理键非常牢固,使半导体具有很高的机械,化学和热稳定性。宽带隙和高热稳定性使SiC器件可以在比硅更高的结温下使用,甚至超过200°C。碳化硅在电力应用中提供的主要优势是其低漂移区电阻,这是高压电力设备的关键因素。


凭借出色的物理和电子特性的结合,基于SiC的功率器件正在推动功率电子学的根本变革。尽管这种材料已为人们所知很长时间,但由于可提供大而高质量的晶片,在很大程度上将其用作半导体是相对较新的。近几十年来,努力集中在开发特定且独特的高温晶体生长工艺上。尽管SiC具有不同的多晶型晶体结构(也称为多型晶体),但4H-SiC多型六方晶体结构最适合于高功率应用。六英寸的SiC晶圆如图1所示。


SiC的主要特性是什么?


硅与碳的结合为这种材料提供了出色的机械,化学和热学性能,包括:

· 高导热率

· 低热膨胀性和优异的抗热震性

· 低功耗和开关损耗

· 高能源效率

· 高工作频率和温度(在最高200°C的结温下工作)

· 小芯片尺寸(具有相同的击穿电压)

· 本征二极管(MOSFET器件)

· 出色的热管理,降低了冷却要求

· 寿命长


SiC在电子领域有哪些应用?


碳化硅是一种非常适合于电源应用的半导体,这首先要归功于其承受高压的能力,该能力是硅所能承受的高压的十倍之多。基于碳化硅的半导体具有更高的热导率,更高的电子迁移率和更低的功率损耗。SiC二极管和晶体管还可以在更高的频率和温度下工作,而不会影响可靠性。SiC器件(例如肖特基二极管和FET / MOSFET晶体管)的主要应用包括转换器,逆变器,电源,电池充电器和电机控制系统。


为什么在功率应用中SiC能够胜过Si?


尽管硅是电子领域中使用最广泛的半导体,但硅开始显示出一些局限性,尤其是在大功率应用中。这些应用中的一个相关因素是半导体提供的带隙或能隙。当带隙较高时,它使用的电子设备可以更小,运行更快,更可靠。它也可以在比其他半导体更高的温度,电压和频率下工作。硅的带隙约为1.12eV,而碳化硅的带隙约为3.26eV,几乎是其三倍。


为什么SiC可以承受如此高的电压?


功率器件,尤其是MOSFET,必须能够承受极高的电压。由于电场的介电击穿强度大约是硅的十倍,所以SiC可以达到非常高的击穿电压,从600V到几千伏。SiC可以使用比硅更高的掺杂浓度,并且可以使漂移层非常薄。漂移层越薄,其电阻越低。理论上,给定高电压,可以将漂移层的每单位面积的电阻减小到硅电阻的1/300。


为什么碳化硅在高频下可以胜过IGBT?


在大功率应用中,过去主要使用IGBT和双极晶体管,目的是降低在高击穿电压下出现的导通电阻。但是,这些器件具有很大的开关损耗,从而导致产生热量的问题,从而限制了它们在高频下的使用。使用SiC,可以制造诸如肖特基势垒二极管和MOSFET的器件,这些器件可实现高电压,低导通电阻和快速操作。


哪些杂质用于掺杂SiC材料?


在其纯净形式中,碳化硅的行为就像电绝缘体。通过控制杂质或掺杂剂的添加,SiC可以表现得像半导体。P型半导体可以通过用铝,硼或镓掺杂而获得,而氮和磷的杂质会产生N型半导体。基于诸如红外线辐射的电压或强度,可见光和紫外线的因素,碳化硅具有在某些条件下而不在其他条件下导电的能力。与其他材料不同,碳化硅能够在很宽的范围内控制器件制造所需的P型和N型区域。由于这些原因,SiC是一种适用于功率器件的材料,并且能够克服硅提供的限制。


SiC如何实现比硅更好的热管理?


另一个重要参数是导热系数,它是半导体如何消散其产生的热量的指标。如果半导体不能有效地散热,则会对器件可以承受的最大工作电压和温度产生限制。这是碳化硅优于硅的另一个领域:碳化硅的导热系数为1490 W / mK,而硅的导热系数为150 W / mK。


与Si-MOSFET相比,SiC反向恢复时间如何?


SiC MOSFET和硅MOSFET一样,都有一个内部二极管。体二极管提供的主要限制之一是不希望的反向恢复行为,当二极管在承载正向正向电流时关闭时,就会发生反向恢复行为。因此,反向恢复时间(trr)成为定义MOSFET特性的重要指标。图2显示了1000V Si基MOSFET和SiC基MOSFET的trr之间的比较。可以看出,SiC MOSFET的体二极管非常快:trr和Irr的值很小,可以忽略不计,并且能量损失Err大大降低了。


为什么软关断对于短路保护很重要?


SiC MOSFET的另一个重要参数是短路耐受时间(SCWT)。由于SiC MOSFET占据芯片的很小区域并具有高电流密度,因此它们承受可能导致热破坏的短路的能力往往低于硅基器件。例如,在采用TO247封装的1.2kV MOSFET的情况下,Vdd = 700V和Vgs = 18V时的短路耐受时间约为8-10μs。随着Vgs的减小,饱和电流减小,并且耐受时间增加。随着Vdd的降低,产生的热量更少,并且承受时间更长。由于关断SiC MOSFET所需的时间非常短,因此,当关断速率Vgs高时,高dI / dt可能会导致严重的电压尖峰。因此,应使用软关断来逐渐降低栅极电压,避免出现过电压峰值。


为什么隔离式栅极驱动器是更好的选择?


许多电子设备都是低压电路和高压电路,它们彼此互连以执行控制和电源功能。例如,牵引逆变器通常包括低压初级侧(电源,通信和控制电路)和次级侧(高压电路,电动机,功率级和辅助电路)。位于初级侧的控制器通常使用来自高压侧的反馈信号,如果没有隔离栅,则很容易受到损坏。隔离栅将电路从初级侧到次级侧电气隔离,从而形成独立的接地基准,从而实现了所谓的电流隔离。这样可以防止有害的交流或直流信号从一侧传递到另一侧,从而损坏功率组件。


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