SiC相對(duì)于傳統(tǒng)Si的優(yōu)勢(shì)如何

碳化硅(SiC)技術(shù)已達(dá)到臨界點(diǎn)，即不可否認(rèn)的優(yōu)勢(shì)推動(dòng)技術(shù)快速采用的狀態(tài)。

如今，出于多種原因，希望保持競(jìng)爭(zhēng)力并降低長(zhǎng)期系統(tǒng)成本的設(shè)計(jì)人員正在轉(zhuǎn)向基于SiC的技術(shù)，其中包括：

降低總擁有成本：基于SiC的設(shè)計(jì)雖然需要前期投資，但可以通過能源效率、更小的系統(tǒng)尺寸和可靠性來降低系統(tǒng)成本。

克服設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：SiC的特性使設(shè)計(jì)人員能夠開發(fā)出運(yùn)行溫度更低、開關(guān)速度更快且工作電壓更高的更小型器件。

提高可靠性和性能：借助更小、更冷的設(shè)備，設(shè)計(jì)人員可以自由地做出更具創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)選擇，更容易滿足市場(chǎng)需求。

當(dāng)今大多數(shù)電子產(chǎn)品都依賴于金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)，該晶體管于1959年由貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，并在20世紀(jì)60年代初得到廣泛采用。MOSFET通過改變施加在柵極端子上的電壓來控制器件溝道的電導(dǎo)率，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大或開關(guān)和功率處理。

硅(Si)仍被用作構(gòu)建MOSFET的主要材料，但當(dāng)今的設(shè)備性能需求正在將Si技術(shù)推向材料極限。

SiC相對(duì)于傳統(tǒng)Si的優(yōu)勢(shì)

自從馬力意味著能源的使用及其從來源到最終應(yīng)用的轉(zhuǎn)換一直是發(fā)展的主題，而犁的設(shè)計(jì)對(duì)于準(zhǔn)備播種所需的天數(shù)至關(guān)重要。

今天，我們更多地考慮從發(fā)電機(jī)輸出到許多應(yīng)用的最終電壓的電能和功率轉(zhuǎn)換，無論是用于處理器的0.6VDC、用于工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的24VDC至500VAC還是用于為電動(dòng)汽車電池充電的400VDC。轉(zhuǎn)換過程總是使用功率半導(dǎo)體開關(guān)，幾十年來，硅基類型以Si-MOSFET和IGBT的形式一直占據(jù)主導(dǎo)地位。

這些開關(guān)的損耗使其效率低于SiC。減少電力浪費(fèi)和熱量是最大限度降低運(yùn)營(yíng)成本和實(shí)現(xiàn)能源效率的首要關(guān)注點(diǎn)。

近年來，SiC和氮化鎵(GaN)等硅替代材料已變得可行。兩者都具有能夠逐步提高功率轉(zhuǎn)換效率的特性。這些寬帶隙器件并不是硅的簡(jiǎn)單替代品。應(yīng)用電路設(shè)計(jì)必須匹配才能充分發(fā)揮性能優(yōu)勢(shì)。（圖1顯示了材料之間的主要區(qū)別。）

Si、SiC和GaN–傳導(dǎo)損耗

Si-IGBT具有幾乎恒定的導(dǎo)通狀態(tài)集電極-發(fā)射極飽和電壓，該電壓隨著集電極電流而產(chǎn)生傳導(dǎo)損耗。Si-MOSFET具有導(dǎo)通電阻，因此功耗為I.R(ON)2（記為：），這在高電流水平下可能會(huì)令人望而卻步。

在低電壓和中低功率下，具有低R(ON)的Si-MOSFET的傳導(dǎo)損耗比IGBT更小。SiC和GaN材料的臨界擊穿電壓比Si高得多，因此可以實(shí)現(xiàn)更薄的漂移層和更高的摻雜濃度。這使得給定芯片面積和額定電壓的導(dǎo)通電阻更低，通過降低功率損耗提供更高的效率。

此外，SiC的導(dǎo)熱率是Si的三倍以上，因此可以在相同的溫升下使用更小的芯片。SiC和GaN還具有更高的最大工作溫度、限制器件應(yīng)力，從而比Si提高了效率。

Si、SiC和GaN–開關(guān)損耗

高轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率是一個(gè)理想的特性，因?yàn)橄嚓P(guān)組件（特別是磁性元件）可以更小，從而產(chǎn)生小型化優(yōu)勢(shì)并節(jié)省成本。然而，所有器件的開關(guān)損耗都與頻率成正比。由于“尾電流”、必要的緩沖器以及高器件電容的充電/放電造成的功率損耗，IGBT很少在20kHz以上運(yùn)行。Si-MOSFET可以以數(shù)百kHz的頻率進(jìn)行開關(guān)，但隨著頻率上升，能量損失、存儲(chǔ)在輸出電容(EOSS)中的能量以及流向輸出電容的循環(huán)電流將成為限制因素。SiC和GaN提供更高的電子飽和速度和更低的電容，在更快的開關(guān)速度和更低的功率損耗方面提供了巨大的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)導(dǎo)電溝道反向偏置時(shí)，“第三象限”器件的特性也很重要。例如，當(dāng)通過半橋驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)就會(huì)發(fā)生這種情況（參見圖2）。IGBT不會(huì)反向?qū)?，因此需要反并?lián)二極管，該二極管必須是具有低電壓降的快速恢復(fù)類型。Si和SiC-MOSFET具有固有的快速體二極管，但可以通過其通道反向傳導(dǎo)，損耗低，并且在通過柵極導(dǎo)通時(shí)無反向恢復(fù)效應(yīng)。

即使MOSFET在第三象限導(dǎo)通時(shí)主動(dòng)導(dǎo)通，體二極管也會(huì)在兩個(gè)開關(guān)均關(guān)閉時(shí)導(dǎo)通一小段時(shí)間，以防止通過半橋的直通電流。當(dāng)體二極管導(dǎo)通時(shí)，這就是所謂的“死區(qū)時(shí)間”，由于相對(duì)較高的正向壓降和二極管開關(guān)所需的反向恢復(fù)而導(dǎo)致額外的功率損耗。SiC和GaN的過渡時(shí)間更快，可以縮短死區(qū)時(shí)間和相關(guān)損耗。

無錫國(guó)晶微半導(dǎo)體技術(shù)有限公司是寬禁帶第三代半導(dǎo)體碳化硅SiC功率器件、氮化鎵GaN光電器件以及常規(guī)集成電路研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的高科技創(chuàng)新型企業(yè)，從事碳化硅場(chǎng)效應(yīng)管，碳化硅肖特基二極管、GaN光電光耦繼電器、單片機(jī)集成電路等產(chǎn)品芯片設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與銷售并提供相關(guān)產(chǎn)品整體方案設(shè)計(jì)配套服務(wù)，總部位于江蘇省無錫市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)，并在杭州、深圳和香港設(shè)有研發(fā)中心和銷售服務(wù)支持中心及辦事處。

公司具有國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的研發(fā)實(shí)力，專注于為客戶提供高效能、低功耗、低阻值、品質(zhì)穩(wěn)定的碳化硅高低功率器件及光電集成電路產(chǎn)品，同時(shí)提供一站式的應(yīng)用解決方案和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)支持服務(wù)，使客戶的系統(tǒng)性能優(yōu)異、靈活可靠，并具有成本競(jìng)爭(zhēng)力。

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特別在高低壓光耦半導(dǎo)體技術(shù)方面更是擁有業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。在國(guó)內(nèi)創(chuàng)先設(shè)計(jì)開發(fā)了28nm光敏光柵開關(guān)PVG芯片技術(shù)，并成功量產(chǎn)應(yīng)用于60V、400V、600V高低壓、低內(nèi)阻、低電容的光電耦合繼電器芯片、涵蓋1500kVrms SOP超小封裝及3750kVrms隔離增強(qiáng)型常規(guī)SMD、DIP等不同封裝，單路、雙路、混合雙路、常開常閉等電路產(chǎn)品，另包括200V SOI MOS/LIGBT集成芯片、100V CMOS/LDMOS集成芯片、8bit及32bit單片機(jī)等集成電路產(chǎn)品，均獲得市場(chǎng)及各重點(diǎn)科研單位、檢測(cè)機(jī)構(gòu)的新產(chǎn)品認(rèn)定。

公司核心研發(fā)團(tuán)隊(duì)中大部分工程師擁有碩士及以上學(xué)位，并有多名博士主持項(xiàng)目的開發(fā)。公司建立了科技創(chuàng)新和知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理的規(guī)范體系，在電路設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體器件及工藝設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、器件模型提取等方面積累了眾多核心技術(shù)，擁有多項(xiàng)國(guó)際、國(guó)內(nèi)自主發(fā)明專利。

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審核編輯：彭菁