碳化硅 (SiC) 是一種由硅 (Si) 和碳 (C) 組成的半導體化合物，屬于寬帶隙 (WBG) 材料系列。它的物理結合力非常強，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器件能夠在高于硅的結溫下使用，甚至超過 200°C。碳化硅在功率應用中的主要優勢是其低漂移區電阻，這是高壓功率器件的關鍵因素。[這里是“關于 GaN 的 10 件事”]

得益于出色的物理和電子特性，基于 SiC 的功率器件正在推動電力電子設備的徹底變革。盡管這種材料早已為人所知，但它作為半導體的使用相對較新，這在很大程度上是由于大型和高質量晶片的可用性。近幾十年來，人們的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），但 4H-SiC 多型六方晶體結構最適合高功率應用。一個六英寸的 SiC 晶片如圖 1 所示。

圖 1：6 英寸 SiC 晶圓（來源：ST）

1、碳化硅的主要性能有哪些？

硅與碳的結合使這種材料具有出色的機械、化學和熱性能，包括：

高導熱性

低熱膨脹和優異的抗熱震性

低功率和開關損耗

高能效

高工作頻率和溫度（工作溫度高達 200°C 結點）

小芯片尺寸（具有相同的擊穿電壓）

本征體二極管（MOSFET 器件）

出色的熱管理，可降低冷卻要求

壽命長

2. 碳化硅在電子領域有哪些應用？

碳化硅是一種非常適合電力應用的半導體，這主要歸功于它能夠承受高電壓的能力，比硅可使用的電壓高十倍。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。碳化硅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 器件的主要應用，例如肖特基二極管和 FET/MOSFET 晶體管，包括轉換器、逆變器、電源、電池充電器和電機控制系統。

3. 為什么碳化硅在功率應用中戰勝了硅？

盡管是電子產品中使用最廣泛的半導體，但硅開始顯示出一些局限性，尤其是在高功率應用中。這些應用中的一個相關因素是半導體提供的帶隙或能隙。當帶隙很高時，它使用的電子設備可以更小、運行得更快、更可靠。它還可以在比其他半導體更高的溫度、電壓和頻率下運行。硅的帶隙約為 1.12eV，而碳化硅的帶隙值約為 3.26eV 的近三倍。

4. 為什么碳化硅能承受這么高的電壓？

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比硅高約十倍，碳化硅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在高頻下的表現優于IGBT？

在大功率應用中，過去大多使用 IGBT 和雙極晶體管，目的是降低高擊穿電壓下出現的導通電阻。然而，這些設備提供了顯著的開關損耗，導致發熱問題限制了它們在高頻下的使用。使用碳化硅可以制造肖特基勢壘二極管和 MOSFET 等器件，實現高電壓、低導通電阻和快速運行。

6. 哪些雜質用于摻雜 SiC 材料？

在純碳化硅的形式下，其行為類似于電絕緣體。通過受控添加雜質或摻雜劑，SiC 可以像半導體一樣工作。P型半導體可以通過摻雜鋁、硼或鎵來獲得，而氮和磷的雜質則產生N型半導體。碳化硅在某些條件下具有導電能力，但在其他條件下不能導電，這取決于紅外輻射、可見光和紫外線的電壓或強度等因素。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，碳化硅是一種適用于功率器件的材料，能夠克服硅的局限性。

7. 碳化硅如何實現比硅更好的熱管理？

另一個重要參數是熱導率，它是半導體如何散發其產生的熱量的指標。如果半導體不能有效散熱，則器件可以承受的最大工作電壓和溫度會受到限制。這是碳化硅優于硅的另一個領域：碳化硅的導熱率為 1490 W/mK，而硅的導熱率為 150 W/mK。

8. SiC 反向恢復時間與 Si-MOSFET 相比如何？

SiC MOSFET 與其硅對應物一樣，具有內部體二極管。體二極管提供的主要限制之一是不希望的反向恢復行為，當二極管關斷同時承載正正向電流時會發生這種情況。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 基于 Si 的 MOSFET 和基于 SiC 的 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的值小到可以忽略不計，能量損失Err大大降低。

圖2：反向恢復時間對比（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 占據的芯片面積非常小并且具有高電流密度，因此它們承受可能導致熱斷裂的短路的能力往往低于硅基器件。例如，對于采用 TO247 封裝的 1.2kV MOSFET，在 Vdd=700V 和 Vgs=18V 時的短路耐受時間約為 8-10 μs。隨著 Vgs 減小，飽和電流減小，耐受時間增加。隨著 Vdd 的降低，產生的熱量越少，耐受時間越長。由于關斷 SiC MOSFET 所需的時間極短，當關斷率 Vgs 較高時，高 dI/dt 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，彼此互連以執行控制和供電功能。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，如果不存在隔離屏障，則很容易受到可能的損壞。隔離屏障將電路從初級側電隔離到次級側，形成單獨的接地參考，實現所謂的電流隔離。這可以防止不需要的交流或直流信號從一側傳輸到另一側，從而導致對電源組件的損壞。

審核編輯 黃昊宇