SiC如何实现比硅更好的热管理？SiC在电子领域有哪些应用？

碳化硅（SiC）是由硅（Si）和碳（C）组成的半导体化合物，属于宽带隙（WBG）系列材料。它的物理键非常牢固，使半导体具有很高的机械，化学和热稳定性。宽带隙和高热稳定性使SiC器件可以在比硅更高的结温下使用，甚至超过200°C。碳化硅在电力应用中提供的主要优势是其低漂移区电阻，这是高压电力设备的关键因素。

 

凭借出色的物理和电子特性的结合，基于SiC的功率器件正在推动功率电子学的根本变革。尽管这种材料已为人们所知很长时间，但由于可提供大而高质量的晶片，在很大程度上将其用作半导体是相对较新的。近几十年来，努力集中在开发特定且独特的高温晶体生长工艺上。尽管SiC具有不同的多晶型晶体结构（也称为多型晶体），但4H-SiC多型六方晶体结构最适合于高功率应用。六英寸的SiC晶圆如图1所示。

 

图1：6英寸SiC晶片（Source：ST）

 

 

硅与碳的结合为这种材料提供了出色的机械，化学和热学性能，包括：

 

· 高导热率

 

· 低热膨胀性和优异的抗热震性

 

· 低功耗和开关损耗

 

· 高能源效率

 

· 高工作频率和温度（在最高200°C的结温下工作）

 

· 小芯片尺寸（具有相同的击穿电压）

 

· 本征二极管（MOSFET器件）

 

· 出色的热管理，降低了冷却要求

 

· 寿命长

 

 

碳化硅是一种非常适合于电源应用的半导体，这首先要归功于其承受高压的能力，该能力是硅所能承受的高压的十倍之多。基于碳化硅的半导体具有更高的热导率，更高的电子迁移率和更低的功率损耗。SiC二极管和晶体管还可以在更高的频率和温度下工作，而不会影响可靠性。SiC器件（例如肖特基二极管和FET / MOSFET晶体管）的主要应用包括转换器，逆变器，电源，电池充电器和电机控制系统。

 

 

尽管硅是电子领域中使用最广泛的半导体，但硅开始显示出一些局限性，尤其是在大功率应用中。这些应用中的一个相关因素是半导体提供的带隙或能隙。当带隙较高时，它使用的电子设备可以更小，运行更快，更可靠。它也可以在比其他半导体更高的温度，电压和频率下工作。硅的带隙约为1.12eV，而碳化硅的带隙约为3.26eV，几乎是其三倍。

 

 

功率器件，尤其是MOSFET，必须能够承受极高的电压。由于电场的介电击穿强度大约是硅的十倍，所以SiC可以达到非常高的击穿电压，从600V到几千伏。SiC可以使用比硅更高的掺杂浓度，并且可以使漂移层非常薄。漂移层越薄，其电阻越低。理论上，给定高电压，可以将漂移层的每单位面积的电阻减小到硅电阻的1/300。

 

 

在大功率应用中，过去主要使用IGBT和双极晶体管，目的是降低在高击穿电压下出现的导通电阻。但是，这些器件具有很大的开关损耗，从而导致产生热量的问题，从而限制了它们在高频下的使用。使用SiC，可以制造诸如肖特基势垒二极管和MOSFET的器件，这些器件可实现高电压，低导通电阻和快速操作。

 

 

在其纯净形式中，碳化硅的行为就像电绝缘体。通过控制杂质或掺杂剂的添加，SiC可以表现得像半导体。P型半导体可以通过用铝，硼或镓掺杂而获得，而氮和磷的杂质会产生N型半导体。基于诸如红外线辐射的电压或强度，可见光和紫外线的因素，碳化硅具有在某些条件下而不在其他条件下导电的能力。与其他材料不同，碳化硅能够在很宽的范围内控制器件制造所需的P型和N型区域。由于这些原因，SiC是一种适用于功率器件的材料，并且能够克服硅提供的限制。

 

 

另一个重要参数是导热系数，它是半导体如何消散其产生的热量的指标。如果半导体不能有效地散热，则会对器件可以承受的最大工作电压和温度产生限制。这是碳化硅优于硅的另一个领域：碳化硅的导热系数为1490 W / mK，而硅的导热系数为150 W / mK。

 

 

SiC MOSFET和硅MOSFET一样，都有一个内部二极管。体二极管提供的主要限制之一是不希望的反向恢复行为，当二极管在承载正向正向电流时关闭时，就会发生反向恢复行为。因此，反向恢复时间（trr）成为定义MOSFET特性的重要指标。图2显示了1000V Si基MOSFET和SiC基MOSFET的trr之间的比较。可以看出，SiC MOSFET的体二极管非常快：trr和Irr的值很小，可以忽略不计，并且能量损失Err大大降低了。
 

图2：反向恢复时间比较（Source：ROHM）

 

 

SiC MOSFET的另一个重要参数是短路耐受时间（SCWT）。由于SiC MOSFET占据芯片的很小区域并具有高电流密度，因此它们承受可能导致热破坏的短路的能力往往低于硅基器件。例如，在采用TO247封装的1.2kV MOSFET的情况下，Vdd = 700V和Vgs = 18V时的短路耐受时间约为8-10μs。随着Vgs的减小，饱和电流减小，并且耐受时间增加。随着Vdd的降低，产生的热量更少，并且承受时间更长。由于关断SiC MOSFET所需的时间非常短，因此，当关断速率Vgs高时，高dI / dt可能会导致严重的电压尖峰。因此，应使用软关断来逐渐降低栅极电压，避免出现过电压峰值。

 

为什么隔离式栅极驱动器是更好的选择？

 

许多电子设备都是低压电路和高压电路，它们彼此互连以执行控制和电源功能。例如，牵引逆变器通常包括低压初级侧（电源，通信和控制电路）和次级侧（高压电路，电动机，功率级和辅助电路）。位于初级侧的控制器通常使用来自高压侧的反馈信号，如果没有隔离栅，则很容易受到损坏。隔离栅将电路从初级侧到次级侧电气隔离，从而形成独立的接地基准，从而实现了所谓的电流隔离。这样可以防止有害的交流或直流信号从一侧传递到另一侧，从而损坏功率组件。