由于MOSFET和IGBT的發(fā)展，硅基功率開關(guān)器件使系統(tǒng)能夠在以更高的效率運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生更多的功率。本文主要介紹SiC相對(duì)于Si的特性和優(yōu)勢(shì)，SiC器件的操作以及各種SiC功率器件的特性。

　　在當(dāng)今的現(xiàn)代世界中，由于加熱、機(jī)器人、電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車、電力傳輸?shù)葢?yīng)用的增加，對(duì)基于功率的設(shè)備的需求正在上升。由于這些因素，增強(qiáng)高電壓和低損耗的基于功率的器件對(duì)于提供高性能和低成本的創(chuàng)新電網(wǎng)應(yīng)用至關(guān)重要。隨著MOSFET和IGBT的發(fā)明，硅基功率開關(guān)器件使系統(tǒng)能夠以更高的效率實(shí)現(xiàn)更大的輸出。

　　最近的研究表明，碳化硅（SiC）器件是一種新興技術(shù)，具有傳統(tǒng)硅所缺乏的多種功能。SiC具有比Si更寬的帶隙，允許更高的電壓阻斷，并使其適用于高功率和高壓應(yīng)用。此外，SiC的熱阻也比Si低，這意味著它可以更有效地散熱，可靠性更高。

　　碳化硅相對(duì)于硅的特性和優(yōu)勢(shì)

　　SiC的主要優(yōu)點(diǎn)是其寬帶隙，比硅大三倍。SiC的寬帶隙意味著它可以阻擋比硅更大的電壓，使其適用于高壓電力電子設(shè)備。SiC的高擊穿電壓使其成為高壓電源逆變器和轉(zhuǎn)換器等高功率應(yīng)用的理想選擇。除了寬帶隙外，SiC還具有低熱阻，這使其能夠更有效地散熱。這使其成為高溫應(yīng)用的理想選擇，其中熱管理是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。SiC的低熱阻有助于降低功率損耗并提高電源系統(tǒng)的效率。


　　上圖顯示了在相同擊穿電壓下SiC和Si的單側(cè)突發(fā)結(jié)中的電場(chǎng)分布。考慮到SiC的擊穿比Si高1倍，SiC功率器件的阻壓層寬度為10/<>，當(dāng)參考Si對(duì)應(yīng)物時(shí)，摻雜濃度應(yīng)增加兩個(gè)數(shù)量級(jí)。具有最小反向恢復(fù)的快速開關(guān)（也稱為低反向恢復(fù)電荷）是SiC功率器件的一個(gè)重要特性，在電力電子應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)。

　　在傳統(tǒng)的電力電子應(yīng)用中，雙極性功率器件（如PiN二極管、IGBT、雙極結(jié)型晶體管和晶閘管）已被普遍使用，因?yàn)樗鼈兡軌蛲ㄟ^(guò)少數(shù)載流子注入的電導(dǎo)率調(diào)制來(lái)降低高導(dǎo)通電阻。然而，這種雙極性設(shè)計(jì)也會(huì)導(dǎo)致少數(shù)載波存儲(chǔ)，導(dǎo)致關(guān)斷操作中的開關(guān)速度較慢和反向恢復(fù)較大。

　　肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）和FET等SiC單極器件為這些應(yīng)用提供了更好的解決方案。即使沒(méi)有電導(dǎo)率調(diào)制，這些器件也具有低導(dǎo)通電阻，并且具有快速的開關(guān)速度和最小的反向恢復(fù)，使其成為中高壓應(yīng)用的理想選擇。

　　下圖顯示了用于SiC和Si的單極性和雙極性功率器件在額定阻斷電壓方面的主要應(yīng)用。圖2顯示了SiC器件將如何取代300 V至更高電壓范圍內(nèi)的Si器件。


　　碳化硅器件的操作

　　●材料開發(fā)

　　SiC研發(fā)的啟動(dòng)是由于需要具有長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)和生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益的體積和外延生長(zhǎng)技術(shù)。與硅不同，SiC在大氣壓下不會(huì)熔化，因此必須在2200°C以上的極高溫度下通過(guò)升華方法生長(zhǎng)。隨著生長(zhǎng)系統(tǒng)中溫度梯度控制的改進(jìn)和晶圓技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在可以輕松獲得直徑為1600英寸且質(zhì)量可接受的單晶SiC晶片。典型的生長(zhǎng)溫度為10°C，生長(zhǎng)速率在50至<>μm/h之間。通過(guò)提高所用氣體中的C/Si比或使用低壓化學(xué)氣相沉積（CVD），解決了生長(zhǎng)過(guò)程中高氮污染的問(wèn)題。

　　●工藝開發(fā)

　　SiC中雜質(zhì)的擴(kuò)散常數(shù)低，使得擴(kuò)散對(duì)于雜質(zhì)摻雜是不切實(shí)際的。因此，生長(zhǎng)過(guò)程中的離子注入和原位摻雜是制造SiC器件的唯一技術(shù)。離子注入SiC最顯著的方面是在極高的溫度下進(jìn)行注入后退火。植入后退火所需的高溫使離子注入成為SiC器件制造的第一步。盡管經(jīng)過(guò)高溫退火，植入的原子經(jīng)歷的擴(kuò)散很少。

　　各種碳化硅功率器件的特性

　　●碳化硅功率二極管

　　帶有肖特基觸點(diǎn)的功率二極管旨在最大限度地減少反向漏電流并降低正向壓降，使其適用于大功率應(yīng)用。通過(guò)在肖特基接觸邊緣附近形成p型區(qū)域，抑制了場(chǎng)擁擠效應(yīng)，從而降低了電阻，提高了載流能力。

　　基于碳化硅（SiC）的器件在高電壓、低損耗功率器件的電路操作方面表現(xiàn)出更大的電路彈性。與其前身硅（Si）相比，SiC作為一種材料具有出色的電氣特性，在高功率開關(guān)應(yīng)用中具有更高的效率。

　　隨著進(jìn)一步的研究和開發(fā)，SiC電源系統(tǒng)由于其長(zhǎng)期可靠性，能夠在高溫下集成到各種功率轉(zhuǎn)換器/逆變器中。