碳化硅MOSFET器件結(jié)構(gòu)和特性！

碳化硅的物理性質(zhì)和特性！

SiC（碳化硅）是由硅和碳化物組成的化合物半導(dǎo)體。與硅相比，SiC具有許多優(yōu)勢，包括10倍的擊穿電場強度，3倍的帶隙，以及實現(xiàn)器件結(jié)構(gòu)所需的更廣泛的p型和n型控制。

其結(jié)果是硅無法實現(xiàn)的突破性性能，使其成為下一代功率器件最可行的繼任者。SiC存在多種多型（多晶型），每種具有不同的物理性質(zhì)。在這些多類型中，4H-SiC是功率器件最理想的。

功率器件特性

SiC的擊穿電場強度是硅的10倍，因此可以通過更薄的漂移層和更高的雜質(zhì)濃度配置更高電壓（600V至XNUMX V）的功率器件。由于高壓器件的大部分電阻成分位于漂移層電阻中，因此SiC能夠以極低的單位面積導(dǎo)通電阻實現(xiàn)更高的耐壓。理論上，在相同的耐壓下，單位面積的漂移層電阻可比硅降低300倍。

為了盡量減少使用硅的較高耐壓下導(dǎo)通電阻的增加，通常使用少數(shù)載流子器件（雙極性），例如IGBT（絕緣柵雙極晶體管）。然而，這會增加開關(guān)損耗，從而導(dǎo)致更大的熱量產(chǎn)生并限制高頻操作。

相比之下，SiC通過高速器件結(jié)構(gòu)，使用多數(shù)載流器件（肖特基勢壘二極管、MOSFET）實現(xiàn)高耐壓成為可能，同時實現(xiàn)高耐壓、低導(dǎo)通電阻和高速運行。3倍寬的帶隙允許功率器件在更高的溫度下工作，從而大大擴展了適用性。

碳化硅SBD器件結(jié)構(gòu)和特點

將碳化硅高速器件結(jié)構(gòu)集成到肖特基勢壘二極管（SBD）中，可以實現(xiàn)大于600V的耐壓（與硅SBD的~200V相反）。

因此，替換現(xiàn)有的主流PN結(jié)二極管（快速恢復(fù)型）可顯著降低恢復(fù)損耗，有助于降低線圈等無源元件的噪聲和更緊湊性。這是由于電源效率的提高和操作頻率的提高。這確保了對功率因數(shù)校正電路（PFC）和整流橋的支持，使其適用于更廣泛的應(yīng)用，包括交流電、電源、太陽能功率調(diào)節(jié)器、電動汽車快速充電器。

碳化硅SBD正向特性！

SiC SBD的上升電壓小于1V-相當(dāng)于FRD的上升電壓。上升電壓由肖特基勢壘的高度決定。然而，盡管設(shè)計較低的正常勢壘高度可以降低上升電壓，但這是以泄漏電流為代價的，漏電流在反向偏置期間會增加。為此，ROHM成功為其第2代SBD設(shè)計了一種工藝，可將上升電壓降低約0.15V，同時保持與傳統(tǒng)產(chǎn)品相當(dāng)?shù)穆╇娏骱突謴?fù)特性。

此外，溫度依賴性與Si FRD明顯不同，Vf隨著高溫下的工作電阻而增加。這有助于防止熱失控，確保即使并聯(lián)也能無憂運行。

碳化硅SBD反向恢復(fù)特性

在硅高速PN二極管（FRD）中，當(dāng)方向從正向切換到反向時，較大的瞬態(tài)電流會流動，這在這段時間內(nèi)切換到反向偏置條件時可能導(dǎo)致較大的損耗。當(dāng)施加正向電流時，積聚在漂移層中的少數(shù)載流子有助于導(dǎo)電，直到它們消失（存儲時間）。隨著正向電流的升高和溫度的升高，這會增加恢復(fù)時間和恢復(fù)電流，從而導(dǎo)致顯著的損耗。

相比之下，SiC SBD是多數(shù)載流子器件（單極），不使用少數(shù)載流子進行導(dǎo)電，因此原則上不會發(fā)生少數(shù)載流子積累。因此，只有少量電流流過結(jié)電容放電，實現(xiàn)的損耗比硅FRD少得多。這種瞬態(tài)電流在很大程度上與溫度和正向電流無關(guān)，因此幾乎可以在任何環(huán)境下實現(xiàn)穩(wěn)定的高速恢復(fù)。還可以降低由于反向恢復(fù)電流而產(chǎn)生的噪聲。

碳化硅MOSFET器件結(jié)構(gòu)和特性！

對于硅，隨著耐壓的升高，每單位面積的電阻也會增加（大約是耐壓的2.5次方的平方）。因此，IGBT（絕緣柵雙極晶體管）主要用于600V以上的電壓。IGBT能夠通過電導(dǎo)調(diào)制提供比MOSFET更低的導(dǎo)通電阻，其中少數(shù)載流子（空穴）被注入漂移層。

然而，這會導(dǎo)致在關(guān)斷期間產(chǎn)生由少數(shù)載流子積累引起的尾電流，從而導(dǎo)致更大的開關(guān)損耗。相比之下，碳化硅具有比硅器件更低的漂移層電阻，無需電導(dǎo)率調(diào)制，并在MOSFET等高速器件中使用時實現(xiàn)高耐壓和低電阻。因此，由于原則上不會產(chǎn)生尾電流，因此用SiC MOSFET代替IGBT可以顯著降低開關(guān)損耗，從而可以減小冷卻對策的尺寸。

碳化硅還有助于通過傳統(tǒng)IGBT解決方案無法實現(xiàn)的高頻操作實現(xiàn)更小的無源元件。600V-900V碳化硅MOSFET具有許多額外的優(yōu)勢，包括更小的芯片面積（可實現(xiàn)更小的封裝）和顯著降低的恢復(fù)損耗。因此，應(yīng)用已擴展到工業(yè)設(shè)備的電源和高效功率調(diào)節(jié)器的逆變器/轉(zhuǎn)換器。

SiC的介電擊穿電場強度是硅的10倍，因此可以通過更低的電阻率和更薄的漂移層實現(xiàn)更高的擊穿電壓。這樣可以在相同的耐壓下降低歸一化導(dǎo)通電阻（每單位面積的導(dǎo)通電阻）。

例如，在900V和相同的ON電阻芯片尺寸下，與硅MOSFET相比可以減少35倍，與SJ MOSFET相比可以減少10倍。除了在緊湊的外形中提供低導(dǎo)通電阻外，還可以降低柵極電荷Qg和電容。

通常，SJ MOSFET的耐壓僅高達900V。但是使用SiC允許超過1700V的電壓和低導(dǎo)通電阻。事實上，SiC使開發(fā)兼具低導(dǎo)通電阻、高耐壓和高速開關(guān)的器件成為可能，無需使用IGBT等雙極器件（IGBT具有低導(dǎo)通電阻，但開關(guān)速度較慢）。

碳化硅MOSFET不像IGBT那樣具有上升電壓，因此在整個電流范圍內(nèi)具有低導(dǎo)通損耗。此外，Si MOSFET在室溫下的導(dǎo)通電阻在150C時增加了100%。但是，對于SiC MOSFET，增長率相對較低，從而簡化了熱設(shè)計，同時即使在高溫下也能確保低導(dǎo)通電阻。

驅(qū)動?xùn)艠O電壓和導(dǎo)通電阻

盡管SiC MOSFET的漂移電阻低于Si MOSFET，但在當(dāng)前技術(shù)水平下，MOS溝道部分的遷移率較低，導(dǎo)致MOS溝道電阻較高。這使得在較高的柵極電壓下獲得較低的導(dǎo)通電阻成為可能（Vgs=20V+時逐漸飽和）。

然而，在用于標(biāo)準(zhǔn)IGBT和硅MOSFET的驅(qū)動電壓（Vgs=10-15V）下，無法證明固有的導(dǎo)通電阻性能。因此，為了獲得足夠的導(dǎo)通電阻，建議使用Vgs=18V附近的驅(qū)動電壓。

審核編輯：湯梓紅