由于MOSFET和IGBT的发展，基于硅的功率开关器件使系统能够产生更多的功率，同时以更高的效率工作。本文主要介绍了SiC相对于Si的特点和优势，SiC器件的工作原理，以及各种SiC功率器件的特点。

在当今世界，由于供热、机器人、电动/混合动力汽车、电力传输等应用的增加，对电力设备的需求在不断增加。因此，提高高电压、低损耗的电力设备对于提供高性能、低成本的新型电网应用至关重要。随着MOSFET和IGBT的发明，硅基功率开关器件使系统能够以更高的效率获得更大的输出。

最近的研究表明，碳化硅（SiC）器件是一种新兴的技术，具有许多传统硅材料所不具备的特性。SiC具有比Si更宽的带隙，允许更高的电压阻挡，并使其适合于高功率和高电压的应用。此外，SiC还具有比Si更低的热阻，这意味着它可以更有效地散热，具有更高的可靠性

SiC与Si相比的特点和优势

SiC的主要优点是其较宽的带隙，是硅的三倍。SiC的宽禁带意味着它可以阻挡比硅更大的电压，使其适合用于高压电力电子。SiC的高击穿电压使其非常适合大功率应用，如高压电源逆变器和转换器。除了宽禁带外，SiC还具有较低的热阻，这使其能够更有效地散热。这使得它非常适合热管理是一个关键问题的高温应用。SiC的低热阻有助于降低功率损耗，提高电力系统的效率。

 

图1：电场分布示意图

 

上面的图说明了在相同击穿电压下，SiC和Si单面突变结中的电场分布。考虑到SiC的击穿比Si高10倍，SiC功率器件的阻压层宽度为1/10，当使用Si时，掺杂浓度应增加2个数量级。具有最小反向恢复(也称为低反向恢复电荷)的快速开关是SiC功率器件的一个重要特点，在电力电子应用中有着重要的好处。

在传统的电力电子学应用中，双极功率器件，如引脚二极管、IGBT、双极结晶体管和晶闸管，由于具有通过少数载流子注入电导调制来降低高通阻的能力而被广泛使用。然而，这种双极设计也导致了少数载流子存储，导致开关速度慢和大的反向恢复在关闭操作。

SiC单极器件，如肖特基势垒二极管（SBD）和场效应管，为这些应用提供了更好的解决方案。这些器件即使在没有电导率调制的情况下也具有较低的导通电阻，并且具有快速的开关速度和最小的反向恢复，使其成为中高压应用的理想选择。

下图显示了 SiC 和 Si 的单极和双极功率器件在额定阻塞电压方面的主要应用。图 2 显示了在 300V 至更高电压范围内 SiC 器件将如何取代 Si 器件。

图2：碳化硅和硅的应用

SiC器件的操作

●材料开发

SiC的研究和开发初始化，由于需要有体和外延生长技术的长期运作和经济效益方面的生产。与硅不同，SiC在大气压下不熔化，因此必须在2200°C以上的极高温下通过升华法生长。随着生长系统中温度梯度控制的改善和芯片技术的进步，直径为4英寸、质量可接受的单晶SiC芯片现在已经很容易获得。典型的生长温度为1600°C，生长速率在10到50μm/h之间。生长过程中高氮污染的问题，通过提高C/Si的比例在气体中使用或通过使用低压化学气相沉积（CVD）。

工艺开发

SiC中杂质的低扩散常数使得杂质掺杂扩散不可行。因此，离子注入和生长过程中的原位掺杂是唯一的技术用于SiC器件的制造。离子注入SiC最显著的方面是在极高的温度下进行离子注入后退火。注入后退火所需的高温使离子注入成为SiC器件制造的第一步。尽管受到高温退火，注入的原子经历非常小的扩散。

各种SiC功率器件的特性

SiC 功率二极管

肖特基接触的功率二极管的设计，以尽量减少反向漏电流，并减少正向压降，使其适用于高功率应用。通过形成靠近肖特基接触边缘的p型区域，场拥挤效应被抑制，导致更低的电阻和更高的载流容量。

图3：SiC与金属n型高度形成的功函数。

 

图3显示了如何在1.0 eV至2.2 eV的范围内控制势垒高度。600- 1700 V肖特基势垒二极管的理想高度约为1.1 -1.2 eV。这些二极管最适合于开关电源设备等高频功率转换设备。

SiC 功率开关器件

MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种功率开关器件，通常用于各种应用，包括高功率转换、电机控制和开关电源。

 

图4：SiC功率器件比导通电阻与阻挡电压的关系

 

图4描述了SiC功率器件及其电阻与阻塞电压的关系.当涉及到JFET时，只有一个pn结没有任何氧化物可靠性问题。为了抑制电场对沟道区的渗透，埋地p栅的结构是必不可少的。由于SiC的高击穿极限，SiC功率MOSFET比Si具有更好的性能。此外，沟槽MOSFET是另一种高填充密度电池的功率器件.它们具有较高的信道移动性水平，在高频交换中非常有用.

结论

碳化硅(SiC)基器件在高电压、低损耗功率器件的电路工作方面表现出更强的电路弹性。SiC作为一种材料与其前身硅(Si)相比具有很好的电学特性，在大功率开关应用中具有更高的效率。

随着进一步的研究和开发，碳化硅电源系统有能力被集成到各种功率转换器/逆变器在高温下，由于其长期的可靠性。