碳化硅（SiC）是由硅（Si）和碳（C）組成的半導體化合物，屬于寬帶隙（WBG）系列材料。它的物理鍵非常牢固，使半導體具有很高的機械，化學和熱穩定性。寬帶隙和高熱穩定性使SiC器件可以在比硅更高的結溫下使用，甚至超過200°C。碳化硅在電力應用中提供的主要優勢是其低漂移區電阻，這是高壓電力設備的關鍵因素。

憑借出色的物理和電子特性的結合，基于SiC的功率器件正在推動功率電子學的根本變革。盡管這種材料已為人們所知很長時間，但由于可提供大而高質量的晶片，在很大程度上將其用作半導體是相對較新的。近幾十年來，努力集中在開發特定且獨特的高溫晶體生長工藝上。盡管SiC具有不同的多晶型晶體結構（也稱為多型晶體），但4H-SiC多型六方晶體結構最適合于高功率應用。六英寸的SiC晶圓如圖1所示。

圖1：6英寸SiC晶片（來源：ST）

1. SiC的主要特性是什么？

硅與碳的結合為這種材料提供了出色的機械，化學和熱學性能，包括：

• 高導熱率
• 低熱膨脹性和優異的抗熱震性
• 低功耗和開關損耗
• 高能源效率
• 高工作頻率和溫度（在最高200°C的結溫下工作）
• 小芯片尺寸（具有相同的擊穿電壓）
• 本征二極管（MOSFET器件）
• 出色的熱管理，降低了冷卻要求
• 壽命長

2. SiC在電子領域有哪些應用？

碳化硅是一種非常適合于電源應用的半導體，這首先要歸功于其承受高壓的能力，該能力是硅所能承受的高壓的十倍之多。基于碳化硅的半導體具有更高的熱導率，更高的電子遷移率和更低的功率損耗。SiC二極管和晶體管還可以在更高的頻率和溫度下工作，而不會影響可靠性。SiC器件（例如肖特基二極管和FET / MOSFET晶體管）的主要應用包括轉換器，逆變器，電源，電池充電器和電機控制系統。

3.為什么在功率應用中SiC能夠勝過Si？

盡管硅是電子領域中使用最廣泛的半導體，但硅開始顯示出一些局限性，尤其是在大功率應用中。這些應用中的一個相關因素是半導體提供的帶隙或能隙。當帶隙較高時，它使用的電子設備可以更小，運行更快，更可靠。它也可以在比其他半導體更高的溫度，電壓和頻率下工作。硅的帶隙約為1.12eV，而碳化硅的帶隙約為3.26eV，幾乎是其三倍。

4.為什么SiC可以承受如此高的電壓？

功率器件，尤其是MOSFET，必須能夠承受極高的電壓。由于電場的介電擊穿強度大約是硅的十倍，所以SiC可以達到非常高的擊穿電壓，從600V到幾千伏。SiC可以使用比硅更高的摻雜濃度，并且可以使漂移層非常薄。漂移層越薄，其電阻越低。理論上，給定高電壓，可以將漂移層的每單位面積的電阻減小到硅電阻的1/300。

5.為什么碳化硅在高頻下可以勝過IGBT？

在大功率應用中，過去主要使用IGBT和雙極晶體管，目的是降低在高擊穿電壓下出現的導通電阻。但是，這些器件具有很大的開關損耗，從而導致產生熱量的問題，從而限制了它們在高頻下的使用。使用SiC，可以制造諸如肖特基勢壘二極管和MOSFET的器件，這些器件可實現高電壓，低導通電阻和快速操作。

6.哪些雜質用于摻雜SiC材料？

在其純凈形式中，碳化硅的行為就像電絕緣體。通過控制雜質或摻雜劑的添加，SiC可以表現得像半導體。P型半導體可以通過用鋁，硼或鎵摻雜而獲得，而氮和磷的雜質會產生N型半導體。基于諸如紅外線輻射的電壓或強度，可見光和紫外線的因素，碳化硅具有在某些條件下而不在其他條件下導電的能力。與其他材料不同，碳化硅能夠在很寬的范圍內控制器件制造所需的P型和N型區域。由于這些原因，SiC是一種適用于功率器件的材料，并且能夠克服硅提供的限制。

7. SiC如何實現比硅更好的熱管理？

另一個重要參數是導熱系數，它是半導體如何消散其產生的熱量的指標。如果半導體不能有效地散熱，則會對器件可以承受的最大工作電壓和溫度產生限制。這是碳化硅優于硅的另一個領域：碳化硅的導熱系數為1490 W / mK，而硅的導熱系數為150 W / mK。

8.與Si-MOSFET相比，SiC反向恢復時間如何？

SiC MOSFET和硅MOSFET一樣，都有一個內部二極管。體二極管提供的主要限制之一是不希望的反向恢復行為，當二極管在承載正向正向電流時關閉時，就會發生反向恢復行為。因此，反向恢復時間（trr）成為定義MOSFET特性的重要指標。圖2顯示了1000V Si基MOSFET和SiC基MOSFET的trr之間的比較。可以看出，SiC MOSFET的體二極管非常快：trr和Irr的值很小，可以忽略不計，并且能量損失Err大大降低了。

圖2：反向恢復時間比較（來源：ROHM）

9.為什么軟關斷對于短路保護很重要？

SiC MOSFET的另一個重要參數是短路耐受時間（SCWT）。由于SiC MOSFET占據芯片的很小區域并具有高電流密度，因此它們承受可能導致熱破壞的短路的能力往往低于硅基器件。例如，在采用TO247封裝的1.2kV MOSFET的情況下，Vdd = 700V和Vgs = 18V時的短路耐受時間約為8-10μs。隨著Vgs的減小，飽和電流減小，并且耐受時間增加。隨著Vdd的降低，產生的熱量更少，并且承受時間更長。由于關斷SiC MOSFET所需的時間非常短，因此，當關斷速率Vgs高時，高dI / dt可能會導致嚴重的電壓尖峰。因此，應使用軟關斷來逐漸降低柵極電壓，避免出現過電壓峰值。

10.為什么隔離式柵極驅動器是更好的選擇？

許多電子設備都是低壓電路和高壓電路，它們彼此互連以執行控制和電源功能。例如，牽引逆變器通常包括低壓初級側（電源，通信和控制電路）和次級側（高壓電路，電動機，功率級和輔助電路）。位于初級側的控制器通常使用來自高壓側的反饋信號，如果沒有隔離柵，則很容易受到損壞。隔離柵將電路從初級側到次級側電氣隔離，從而形成獨立的接地基準，從而實現了所謂的電流隔離。這樣可以防止有害的交流或直流信號從一側傳遞到另一側，從而損壞功率組件。

編輯：hfy