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碳化硅是由硅和碳組成的半導(dǎo)體化合物，屬于寬帶隙(WBG)材料家族。它的物理結(jié)合非常牢固，使半導(dǎo)體具有很高的機(jī)械、化學(xué)和熱穩(wěn)定性。寬帶隙和高熱穩(wěn)定性允許SiC要在高于硅的結(jié)溫(甚至超過(guò)200℃)下使用的器件。碳化硅在功率應(yīng)用中提供的主要優(yōu)勢(shì)是其低漂移區(qū)電阻，這是高壓功率器件的一個(gè)關(guān)鍵因素。SiC基功率器件得益于優(yōu)異的物理和電子特性的結(jié)合，正在推動(dòng)電力電子的徹底變革。雖然這種材料很久以前就為人所知，但它作為半導(dǎo)體的應(yīng)用相對(duì)較新，這在很大程度上是由于可以獲得大而高質(zhì)量的晶片。近幾十年來(lái)，人們的努力集中在開(kāi)發(fā)特定和獨(dú)特的高溫晶體生長(zhǎng)工藝上。雖然碳化硅具有不同的多晶型晶體結(jié)構(gòu)(也稱(chēng)為多型)，但4H-碳化硅多型六方晶體結(jié)構(gòu)最適合高功率應(yīng)用。六英寸碳化硅晶片如圖1所示。
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圖1: 6英寸SiC晶圓
1.SiC的主要性能有哪些？
硅和碳的結(jié)合使這種材料具有優(yōu)異的機(jī)械、化學(xué)和熱性能，包括:
·高導(dǎo)熱性
·低熱膨脹和優(yōu)異的抗熱震性
·低功耗和開(kāi)關(guān)損耗
·高能效
·高工作頻率和溫度(工作溫度高達(dá)200°C結(jié))
·小管芯尺寸(具有相同的擊穿電壓)
·本征體二極管
·出色的熱管理降低了冷卻要求
·長(zhǎng)壽命
2.SiC在電子領(lǐng)域有哪些應(yīng)用？
碳化硅是一種非常適合電力應(yīng)用的半導(dǎo)體，這首先要?dú)w功于其承受高電壓的能力，比可與硅一起使用的高10倍。基于碳化硅的半導(dǎo)體具有更高的熱導(dǎo)率、更高的電子遷移率和更低的功率損耗。碳化硅二極管和晶體管也可以在更高的頻率和溫度下工作，而不會(huì)影響可靠性。碳化硅器件的主要應(yīng)用，如肖特基二極管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管，包括轉(zhuǎn)換器、逆變器、電源、電池充電器和電機(jī)控制系統(tǒng)。
3.為什么碳化硅在電力應(yīng)用中能克服硅？
盡管硅是電子產(chǎn)品中使用最廣泛的半導(dǎo)體，但它開(kāi)始顯示出一些局限性，尤其是在高功率應(yīng)用中。這些應(yīng)用中的一個(gè)相關(guān)因素是半導(dǎo)體提供的帶隙或能隙。當(dāng)帶隙較高時(shí)，它使用的電子器件可以更小、運(yùn)行更快、更可靠。它還可以在比其他半導(dǎo)體更高的溫度、電壓和頻率下工作。硅的帶隙約為1.12電子伏，而碳化硅的帶隙約為3.26電子伏，是前者的近三倍
4.為什么SiC能承受這么高的電壓？
功率器件，尤其是MOSFETs，必須能夠處理極高的電壓。由于電場(chǎng)的介電擊穿強(qiáng)度大約比硅高十倍，碳化硅可以達(dá)到非常高的擊穿電壓，從600伏到幾千伏。碳化硅可以使用比硅更高的摻雜濃度，漂移層可以做得非常薄。漂移層越薄，其電阻越低。理論上，給定高電壓，單位面積漂移層的電阻可以降低到硅的1/300。
5.為什么SiC能在高頻下跑贏IGBT？?略
6.哪些雜質(zhì)用于摻雜SiC材料？略
7.SiC如何實(shí)現(xiàn)比硅更好的熱管理？
另一個(gè)重要的參數(shù)是導(dǎo)熱率，這是一個(gè)衡量半導(dǎo)體如何散熱的指標(biāo)。如果半導(dǎo)體不能有效散熱，就會(huì)對(duì)器件能夠承受的最大工作電壓和溫度造成限制。這是碳化硅優(yōu)于硅的另一個(gè)領(lǐng)域:碳化硅的熱導(dǎo)率為1490瓦/米-克，而硅的熱導(dǎo)率為150瓦/米-克。
8.SiC反向恢復(fù)時(shí)間與Si-MOSFET相比如何？
碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管和硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管一樣，有一個(gè)內(nèi)部體二極管。體二極管提供的主要限制之一是不希望的反向恢復(fù)行為，當(dāng)二極管在攜帶正向電流時(shí)關(guān)斷時(shí)會(huì)發(fā)生這種行為。因此，反向恢復(fù)時(shí)間(trr)成為定義MOSFET特性的重要指標(biāo)。圖2顯示了1000伏硅基金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管和碳化硅基金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的導(dǎo)通電阻的比較?？梢钥闯?，SiC MOSFET的體二極管速度極快:trr和Irr的值非常小，可以忽略不計(jì)，能量損耗Err大大降低。
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圖2:反向恢復(fù)時(shí)間比較
9.為什么軟關(guān)斷對(duì)短路保護(hù)很重要？?略
10.為什么隔離柵極驅(qū)動(dòng)器是更好的選擇？
許多電子設(shè)備既是低壓電路又是高壓電路，它們相互連接以執(zhí)行控制和供電功能。例如，牽引逆變器通常包括低壓初級(jí)側(cè)(電源、通信和控制電路)和次級(jí)側(cè)(高壓電路、電機(jī)、功率級(jí)和輔助電路)。位于初級(jí)側(cè)的控制器通常使用來(lái)自高壓側(cè)的反饋信號(hào)，如果沒(méi)有隔離柵，則容易受到可能的損壞。隔離柵將電路從初級(jí)側(cè)電隔離到次級(jí)側(cè)，形成單獨(dú)的接地參考，實(shí)現(xiàn)所謂的電流隔離。這可以防止不需要的交流或DC信號(hào)從一側(cè)傳輸?shù)搅硪粋?cè)，從而損壞電源組件。
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