碳化硅二極管的優(yōu)勢(shì)

碳化硅JFET有著高輸入阻抗、低噪聲和線性度好等特點(diǎn)，是目前發(fā)展較快的碳化硅器件之一，并且率先實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。與MOSFET器件相比，JFET器件不存在柵氧層缺陷造成的可靠性問題和載流子遷移率過低的限制，同時(shí)單極性工作特性使其保持了良好的高頻工作能力。另外，JFET器件具有更佳的高溫工作穩(wěn)定性和可靠性。碳化硅JFET器件的門極的結(jié)型結(jié)構(gòu)使得通常JFET的閾值電壓大多為負(fù)，即常通型器件，這對(duì)于電力電子的應(yīng)用極為不利，無法與目前通用的驅(qū)動(dòng)電路兼容。美國(guó)Semisouth公司和Rutgers大學(xué)通過引入溝槽注入式或者臺(tái)面溝槽結(jié)構(gòu)(TIVJFET)的器件工藝，開發(fā)出常斷工作狀態(tài)的增強(qiáng)型器件。但是增強(qiáng)型器件往往是在犧牲一定的正向?qū)娮杼匦缘那闆r下形成的，因此常通型(耗盡型)JFET更容易實(shí)現(xiàn)更高功率密度和電流能力，而耗盡型JFET器件可以通過級(jí)聯(lián)的方法實(shí)現(xiàn)常斷型工作狀態(tài)。級(jí)聯(lián)的方法是通過串聯(lián)一個(gè)低壓的Si基MOSFET來實(shí)現(xiàn)。級(jí)聯(lián)后的JFET器件的驅(qū)動(dòng)電路與通用的硅基器件驅(qū)動(dòng)電路自然兼容。級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)非常適用于在高壓高功率場(chǎng)合替代原有的硅IGBT器件，并且直接回避了驅(qū)動(dòng)電路的兼容問題。

目前，碳化硅JFET器件以及實(shí)現(xiàn)一定程度的產(chǎn)業(yè)化，主要由Infineon和SiCED公司推出的產(chǎn)品為主。產(chǎn)品電壓等級(jí)在1200V、1700V，單管電流等級(jí)最高可以達(dá)20A，模塊的電流等級(jí)可以達(dá)到100A以上。2011年，田納西大學(xué)報(bào)到了50kW的碳化硅模塊，該模塊采用1200V/25A的SiC JFET并聯(lián)，反并聯(lián)二極管為SiCSBD。2011年，GlobalPowerElectronics研制了使用SiCJFET制作的高溫條件下SiC三相逆變器的研究，該模塊峰值功率為50kW(該模塊在中等負(fù)載等級(jí)下的效率為98.5%@10kHz、10kW，比起Si模塊效率更高。2013年Rockwell 公司采用600V /5A MOS增強(qiáng)型JFET以及碳化硅二極管并聯(lián)制作了電流等級(jí)為25A的三相電極驅(qū)動(dòng)模塊，并與現(xiàn)今較為先進(jìn)的IGBT、pin二極管模塊作比較：在同等功率等級(jí)下(25A/600V)，面積減少到60%，該模塊旨在減小通態(tài)損耗以及開關(guān)損耗以及功率回路當(dāng)中的過壓過流。

碳化硅（SiC）是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料，世界各國(guó)對(duì)SiC的研究非常重視，紛紛投入大量的人力物力積極發(fā)展，美國(guó)、歐洲、日本等不僅從國(guó)家層面上制定了相應(yīng)的研究規(guī)劃，而且一些國(guó)際電子業(yè)巨頭也都投入巨資發(fā)展碳化硅半導(dǎo)體器件。

與普通硅相比，采用碳化硅的元器件有如下特性：

碳化硅二極管的優(yōu)勢(shì)

高壓特性

碳化硅器件是同等硅器件耐壓的10倍

碳化硅肖特基管耐壓可達(dá)2400V。

碳化硅場(chǎng)效應(yīng)管耐壓可達(dá)數(shù)萬伏，且通態(tài)電阻并不很大。

碳化硅二極管的優(yōu)勢(shì)

高頻特性

碳化硅二極管的優(yōu)勢(shì)

高溫特性

在Si材料已經(jīng)接近理論性能極限的今天，SiC功率器件因其高耐壓、低損耗、高效率等特性，一直被視為“理想器件”而備受期待。然而，相對(duì)于以往的Si材質(zhì)器件，SiC功率器件在性能與成本間的平衡以及其對(duì)高工藝的需求，將成為SiC功率器件能否真正普及的關(guān)鍵。

目前,低功耗的碳化硅器件已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入了實(shí)用器件生產(chǎn)階段。目前碳化硅圓片的價(jià)格還較高,其缺陷也多。通過不斷的研究開發(fā),預(yù)計(jì)到2010年前后,碳化硅器件將主宰功率器件的市場(chǎng)。但實(shí)際上并非如此。

最受關(guān)注的碳化硅MOS

SiC器件分類

碳化硅二極管的優(yōu)勢(shì)

SiC-MOSFET

SiC-MOSFET 是碳化硅電力電子器件研究中最受關(guān)注的器件。

碳化硅MOS的優(yōu)勢(shì)

硅IGBT在一般情況下只能工作在20kHz以下的頻率。由于受到材料的限制，高壓高頻的硅器件無法實(shí)現(xiàn)。碳化硅MOSFET不僅適合于從600V到10kV的廣泛電壓范圍，同時(shí)具備單極型器件的卓越開關(guān)性能。相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET在開關(guān)電路中不存在電流拖尾的情況具有更低的開關(guān)損耗和更高的工作頻率。

20kHz的碳化硅MOSFET模塊的損耗可以比3kHz的硅IGBT模塊低一半， 50A的碳化硅模塊就可以替換150A的硅模塊。顯示了碳化硅MOSFET在工作頻率和效率上的巨大優(yōu)勢(shì)。

碳化硅MOSFET寄生體二極管具有極小的反向恢復(fù)時(shí)間trr和反向恢復(fù)電荷Qrr。如圖所示，同一額定電流900V的器件，碳化硅MOSFET 寄生二極管反向電荷只有同等電壓規(guī)格硅基MOSFET的5%。對(duì)于橋式電路來說（特別當(dāng)LLC變換器工作在高于諧振頻率的時(shí)候），這個(gè)指標(biāo)非常關(guān)鍵，它可以減小死區(qū)時(shí)間以及體二極管的反向恢復(fù)帶來的損耗和噪音，便于提高開關(guān)工作頻率。

碳化硅MOS的結(jié)構(gòu)

碳化硅MOSFET（SiC MOSFET）N+源區(qū)和P井摻雜都是采用離子注入的方式，在1700℃溫度中進(jìn)行退火激活。另一個(gè)關(guān)鍵的工藝是碳化硅MOS柵氧化物的形成。由于碳化硅材料中同時(shí)有Si和C兩種原子存在，需要非常特殊的柵介質(zhì)生長(zhǎng)方法。

其溝槽星結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)如下：平面vs溝槽

碳化硅二極管的優(yōu)勢(shì)