一文打尽碳化硅功率器件的特点

马上就要进入三九天了，天气渐冷，大家多注意保暖！昨天我们聊了聊有关碳化硅作为高压低损耗的功率半导体器件材料的潜力，今天我们来聊聊碳化硅器件的特点~

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功率半导体器件作为功率变换系统的核心器件，目前应用最多的仍旧是 IGBT，在很多时候还需要搭配合适的反向并联二极管。任何情况下，功率器件都是在'导通'和'截止'两个状态之间切换，类似于集成电路中的逻辑器件，通过切换来达到电力转换的需求，切换频率一般在 1kHz~100kHz 的范围内。

在功率转换系统中，比如说逆变电路，我们都希望开关器件的导通和截止状态下都是理想的，即导通状态下电压为零；在截止状态下，漏电流为零(击穿电压无限大)。这显然是不可能的，实际的器件表现出有限的电阻和有限的漏电流(以及击穿电压存在最大值的限制)，这也是导通损耗和关断损耗的主要原因。另外，在开关的过程中的瞬态行为都会存在开关损耗。

下图是开关器件以及二极管的理想状态和实际状态的对比图：

现实与理想的差异，对于功率器件的主要要求包括：

✦低导通电压(低导通电阻)

✦低漏电流

✦能够以最小的电流 / 电压进行快速切换

这些与导通损耗、关断损耗和开关损耗有着直接的关系。除此之外，

✦较大的安全工作区域(鲁棒性)和可靠性也是极为重要！

而在这些方面，SiC表现出了巨大的发展潜力。

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电场强度、导通电阻

下图是相同击穿电压下 SiC 和 Si 的单侧突变结中的电场分布：

可见，SiC 的击穿电场强度是 Si 的 10 倍左右，所以 SiC 功率器件中的电压阻挡层的厚度可以是 Si 器件中的 1/10。并且其掺杂浓度也可以高出两个数量级，因此在任何给定的阻断电压下，SiC 代替 Si 的单极器件中可以将漂移层的电阻降低 2~3 个数量级。

这一特点对于高压场合显得尤为重要，漂移层电阻 Rdrift 与阻断电压 VB 的(2~2.5,这个系数需要综合考虑来确定)成比例，并且也是觉得器件总导通电阻 Ron 的主要因素。

没有内置电压的功率器件的导通损耗 Pon，由 Ron*J²on 决定，其中 Jon 是导通电流密度(在额定电流下一般为 100~300A/cm²)。因此，SiC 器件极低的抗漂移性有助于降低导通损耗。

下图是 Si 和 SiC 单极器件的最小导通电阻(漂移层电阻)相对于阻断电压的曲线：

最小导通电阻我们可以由下式得出：

Rdrift=4VB²/(ηεμEB³)

其中，ε、μ和 EB 分别是介电常数、迁移率和击穿场强；η是室温下掺杂剂的电离率(“2 次方”是上文提到的系数)。

在轻掺杂的 n 型 SiC 中，由于氮供体相对较浅，η约为 0.85~1.0。这对于宽带隙半导体尤为重要，在宽带隙半导体中经常会观察到掺杂剂的不完全电离，实际上，由于室温下铝受体的空穴迁移率较低并且离子化率小，所以 p 型 SiC 肖特基二极管和功率 MOS无法与 Si 基竞争。

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'快速'切换

SiC 功率器件的另一个重要特点就是快速切换，反向恢复小，能够满足更高的频率。中高压应用中，Si 基的双极型器件通过少数载流子的注入，电导率调制能够显著的降低导通电阻。但是，双极型器件存在少数载流子存储的原因，导致开关速度较慢以及关断操作中的反向恢复大。而，这些应用中，SiC 单极器件由于导通电阻很低并且不存在少数载流子存储，可以成为较理想的选择。SiC 双极型器件也可以提供快速切换，因为电压阻挡区的厚度薄了约 10 倍(上面提到过)，与 Si 的双极型器件相比，该区域中存储的电荷相应地小了约 10 倍。

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高结温和工艺技术

由于带隙宽和化学稳定性，使用 SiC 器件的设备可以在高温(＞250℃)下运行，这一点在当下的应用中无疑十分吸引人，更高的温度上限可以优化散热装置，而 SiC 器件本身甚至可以在 500℃或更高的温度下运行。

而封装技术是 SiC 功率器件发展的另一个重要问题。

比如，由于掺杂剂在 SiC 中极小的扩散常数，通过扩散工艺进行杂质掺杂很难实现，所以一般通过外延生长或者离子注入来进行掺杂；

在 SiC 中，即使在高温活化退火之后，高密度的深能级和扩展的缺陷仍保留在离子注入区以及注入尾部内，这导致注入结附近的载流子寿命很短(＜0.1us)，这不利于双极型器件，所以有效的载流子注入和扩散是必不可少的。

所以，SiC 双极型器件中的 pn 结仅通过外延生长来制造，但是对于制造 SBD 和 MOSFET 之类的 SiC 单极器件，由于其通过注入结可以获得几乎理想的击穿特性，并且单极器件的正常工作中并不涉及载流子注入，所以离子注入比较有用。

(掺杂等可以查看之前的推送)

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更高的电压等级

下图是 Si 基和 SiC 基的单极 / 双极型功率器件的电压等级分布：

对于 Si 基功率器件，单极和双极器件的分界线在 300~600V，而在 SiC 功率器件中，这个边界向后移动了大约 10 倍的阻断电压，即几 kV。预计 SiC 将在 300V~6500V 的阻断电压范围内替代 Si 的双极型器件，并且 SiC 的双极型器件在 10kV 以上的超高压应用中也是'魅'不可挡。

可见，SiC 的发展不仅在于其本身的特性，还在于外部因素的适配。当然，随着时间的推移，这些都将会逐一解决！