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由于MOSFET和IGBT的發展，基于硅的功率開關器件使系統能夠產生更多的功率，同時以更高的效率工作。本文主要介紹了SiC相對于Si的特點和優勢，SiC器件的工作原理，以及各種SiC功率器件的特點。

在當今世界，由于供熱、機器人、電動/混合動力汽車、電力傳輸等應用的增加，對電力設備的需求在不斷增加。因此，提高高電壓、低損耗的電力設備對于提供高性能、低成本的新型電網應用至關重要。隨著MOSFET和IGBT的發明，硅基功率開關器件使系統能夠以更高的效率獲得更大的輸出。

最近的研究表明，碳化硅（SiC）器件是一種新興的技術，具有許多傳統硅材料所不具備的特性。SiC具有比Si更寬的帶隙，允許更高的電壓阻擋，并使其適合于高功率和高電壓的應用。此外，SiC還具有比Si更低的熱阻，這意味著它可以更有效地散熱，具有更高的可靠性

SiC與Si相比的特點和優勢

SiC的主要優點是其較寬的帶隙，是硅的三倍。SiC的寬禁帶意味著它可以阻擋比硅更大的電壓，使其適合用于高壓電力電子。SiC的高擊穿電壓使其非常適合大功率應用，如高壓電源逆變器和轉換器。除了寬禁帶外，SiC還具有較低的熱阻，這使其能夠更有效地散熱。這使得它非常適合熱管理是一個關鍵問題的高溫應用。SiC的低熱阻有助于降低功率損耗，提高電力系統的效率。

 

圖1：電場分布示意圖

 

上面的圖說明了在相同擊穿電壓下，SiC和Si單面突變結中的電場分布?？紤]到SiC的擊穿比Si高10倍，SiC功率器件的阻壓層寬度為1/10，當使用Si時，摻雜濃度應增加2個數量級。具有最小反向恢復(也稱為低反向恢復電荷)的快速開關是SiC功率器件的一個重要特點，在電力電子應用中有著重要的好處。

在傳統的電力電子學應用中，雙極功率器件，如引腳二極管、IGBT、雙極結晶體管和晶閘管，由于具有通過少數載流子注入電導調制來降低高通阻的能力而被廣泛使用。然而，這種雙極設計也導致了少數載流子存儲，導致開關速度慢和大的反向恢復在關閉操作。

SiC單極器件，如肖特基勢壘二極管（SBD）和場效應管，為這些應用提供了更好的解決方案。這些器件即使在沒有電導率調制的情況下也具有較低的導通電阻，并且具有快速的開關速度和最小的反向恢復，使其成為中高壓應用的理想選擇。

下圖顯示了 SiC 和 Si 的單極和雙極功率器件在額定阻塞電壓方面的主要應用。圖 2 顯示了在 300V 至更高電壓范圍內 SiC 器件將如何取代 Si 器件。

圖2：碳化硅和硅的應用

SiC器件的操作

●材料開發

SiC的研究和開發初始化，由于需要有體和外延生長技術的長期運作和經濟效益方面的生產。與硅不同，SiC在大氣壓下不熔化，因此必須在2200°C以上的極高溫下通過升華法生長。隨著生長系統中溫度梯度控制的改善和芯片技術的進步，直徑為4英寸、質量可接受的單晶SiC芯片現在已經很容易獲得。典型的生長溫度為1600°C，生長速率在10到50μm/h之間。生長過程中高氮污染的問題，通過提高C/Si的比例在氣體中使用或通過使用低壓化學氣相沉積（CVD）。

工藝開發

SiC中雜質的低擴散常數使得雜質摻雜擴散不可行。因此，離子注入和生長過程中的原位摻雜是唯一的技術用于SiC器件的制造。離子注入SiC最顯著的方面是在極高的溫度下進行離子注入后退火。注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。盡管受到高溫退火，注入的原子經歷非常小的擴散。

各種SiC功率器件的特性

SiC 功率二極管

肖特基接觸的功率二極管的設計，以盡量減少反向漏電流，并減少正向壓降，使其適用于高功率應用。通過形成靠近肖特基接觸邊緣的p型區域，場擁擠效應被抑制，導致更低的電阻和更高的載流容量。

圖3：SiC與金屬n型高度形成的功函數。

 

圖3顯示了如何在1.0 eV至2.2 eV的范圍內控制勢壘高度。600- 1700 V肖特基勢壘二極管的理想高度約為1.1 -1.2 eV。這些二極管最適合于開關電源設備等高頻功率轉換設備。

SiC 功率開關器件

MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）是一種功率開關器件，通常用于各種應用，包括高功率轉換、電機控制和開關電源。

 

圖4：SiC功率器件比導通電阻與阻擋電壓的關系

 

圖4描述了SiC功率器件及其電阻與阻塞電壓的關系.當涉及到JFET時，只有一個pn結沒有任何氧化物可靠性問題。為了抑制電場對溝道區的滲透，埋地p柵的結構是必不可少的。由于SiC的高擊穿極限，SiC功率MOSFET比Si具有更好的性能。此外，溝槽MOSFET是另一種高填充密度電池的功率器件.它們具有較高的信道移動性水平，在高頻交換中非常有用.

結論

碳化硅(SiC)基器件在高電壓、低損耗功率器件的電路工作方面表現出更強的電路彈性。SiC作為一種材料與其前身硅(Si)相比具有很好的電學特性，在大功率開關應用中具有更高的效率。

隨著進一步的研究和開發，碳化硅電源系統有能力被集成到各種功率轉換器/逆變器在高溫下，由于其長期的可靠性。