半導(dǎo)體材料知多少?SiC器件與Si器件性能比較

SIC是什么呢？相比于Si器件，SiC功率器件的優(yōu)勢體現(xiàn)在哪些方面？電子發(fā)燒友網(wǎng)根據(jù)SIC器件和SI器件的比較向大家講述了兩者在性能上的不同。

SiC是什么？

碳化硅（SiC）是一種Ⅳ－Ⅳ族化合物半導(dǎo)體材料，具有多種同素異構(gòu)類型。其典型結(jié)構(gòu)可分為兩類：一類是閃鋅礦結(jié)構(gòu)的立方SiC晶型，稱為3C或 β－SiC，這里3指的是周期性次序中面的數(shù)目；另一類是六角型或菱形結(jié)構(gòu)的大周期結(jié)構(gòu)，其中典型的有6H、4H、15R等，統(tǒng)稱為α－SiC。與Si相 比，SiC材料具有更大的Eg、Ec、Vsat、λ。大的Eg使SiC可以工作于650℃以上的高溫環(huán)境，并具有極好的抗輻射性能。

相比于Si器件，SiC功率器件的優(yōu)勢體現(xiàn)在哪些方面？

作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，SiC對功率半導(dǎo)體可以說是一個沖擊。這種材料不但擊穿電場強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好，還具有載流子飽和漂移速度高、熱導(dǎo)率高等特 點(diǎn)。具體來看，其導(dǎo)熱性能是Si材料的3倍以上；在相同反壓下，SiC材料的擊穿電場強(qiáng)度比Si高10倍，而內(nèi)阻僅是Si片的百分之一。SiC器件的工作 溫度可以達(dá)到600℃，而一般的Si器件最多能堅持到150℃。

因為這些特性，SiC可以用來制造各種耐高溫的高頻大功率器件，應(yīng)用于Si 器件難以勝任的場合。以SiC肖特基二極管為例，它是速度最快的高壓肖特基二極管，無需反向恢復(fù)充電，可大幅降低開關(guān)損耗、提高開關(guān)頻率，適用于比采用硅 技術(shù)的肖特基二極管高得多的操作電壓范圍，例如，600V SiC肖特基二極管可以用在SMPS中，300V SiC肖特基二極管可以用作48~60V快速輸出開關(guān)電源的整流二極管，而1，200V SiC肖特基二極管與硅IGBT組合后可以作為理想的續(xù)流二極管。

采用硅材料的MOSFET在提高器件阻斷電壓時，必須加寬器件的漂移區(qū)，這會使其內(nèi)阻迅速增大，壓降增高，損耗增大。阻斷電壓范圍在 1，200~1，800V的硅MOSFET不僅體積大，而且價格昂貴。IGBT雖然在高壓應(yīng)用時可降低導(dǎo)通功耗，但若開關(guān)頻率增加時，開關(guān)功耗亦隨之增 大。因此IGBT在高頻開關(guān)電源上亦有其本身的限制。而用SiC做襯底的MOSFET，可輕易做到1，000～2，000伏的MOSFET，其開關(guān)特性 （結(jié)電容值，開關(guān)損耗，開關(guān)波型等）則與100多伏的硅MOSFET相若，導(dǎo)通電阻更可低至毫歐值。在高壓開關(guān)電源應(yīng)用上，完全可取代硅IGBT并可提高 系統(tǒng)的整體效率以及開關(guān)頻率。

價格較貴是否會是采用SiC功率器件的一個阻礙？

單就Si器件和SiC器件的價差來看，確實有較大的差異，但如果從SiC器件帶來的系統(tǒng)性能提升來看，將會發(fā)現(xiàn)其帶來的總體效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過兩類器件的價差。在SiC特別適合的高壓應(yīng)用中，如果充分發(fā)揮SiC器件的特性，這一整體優(yōu)勢表現(xiàn)得非常明顯。

具 體來看，其整體優(yōu)勢主要體現(xiàn)在下面幾個方面：一是SiC功率器件帶來開關(guān)損耗的大幅降低，可以大大提高系統(tǒng)的效率；二是因為SiC器件無反向恢復(fù)、散熱性 能好等特點(diǎn)，減少周邊器件的使用或者采用體積較小的器件，線路也得到優(yōu)化，從而在整體上縮減了系統(tǒng)尺寸；最后，因為效率提高、器件精簡從而獲得了系統(tǒng)整體 成本的節(jié)約。