在TechWeb的“基礎(chǔ)知識(shí)”里新添加了關(guān)于“功率元器件”的記述,。近年來(lái),，使用“功率元器件”或“功率半導(dǎo)體”等說(shuō)法,，以大功率低損耗為目的二極管和晶體管等分立（分立半導(dǎo)體）元器件備受矚目,。這是因?yàn)椋瑸榱藨?yīng)對(duì)全球共通的“節(jié)能化”和“小型化”課題,，需要高效率高性能的功率元器件,。
然而，最近經(jīng)常聽(tīng)到的“功率元器件”,，具體來(lái)說(shuō)是基于什么定義來(lái)分類(lèi)的呢,？恐怕是沒(méi)有一個(gè)明確的分類(lèi)的，但是,，可按以高電壓大功率的AC/DC轉(zhuǎn)換和功率轉(zhuǎn)換為目的的二極管和MOSFET,，以及作為電源輸出段的功率模塊等來(lái)分類(lèi)等等。
在這里,，分以下二個(gè)方面進(jìn)行闡述：一是以傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的“硅（Si）功率元器件”,，另一是與Si半導(dǎo)體相比，損耗更低,，高溫環(huán)境條件下工作特性?xún)?yōu)異,，有望成為新一代低損耗元件的“碳化硅（SiC）功率元器件”。SiC半導(dǎo)體已經(jīng)開(kāi)始實(shí)際應(yīng)用,，并且還應(yīng)用在對(duì)品質(zhì)可靠性要求很?chē)?yán)苛的車(chē)載設(shè)備上,。提起SiC,，可能在有些人的印象中是使用在大功率的特殊應(yīng)用上的，但是實(shí)際上,，它卻是在我們身邊的應(yīng)用中對(duì)節(jié)能和小型化貢獻(xiàn)巨大的功率元器件,。
SiC功率元器件
關(guān)于SiC功率元器件，將分以下4部分進(jìn)行講解,。
SiC是在熱,、化學(xué)、機(jī)械方面都非常穩(wěn)定的化合物半導(dǎo)體,，對(duì)于功率元器件來(lái)說(shuō)的重要參數(shù)都非常優(yōu)異,。作為元件，具有優(yōu)于Si半導(dǎo)體的低阻值,，可以高速工作,，高溫工作，能夠大幅度削減從電力傳輸?shù)綄?shí)際設(shè)備的各種功率轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能量損耗,。
SiC半導(dǎo)體的功率元器件SiC-SBD（肖特基勢(shì)壘二極管）和SiC-MOSFET已于2010年＊1量產(chǎn)出貨,，SiC的MOSFET和SBD的“全SiC”功率模塊也于2012年＊1實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。此時(shí),，第二代元器件也已量產(chǎn),，發(fā)展速度很快。（＊1：ROHM在日本國(guó)內(nèi)或世界實(shí)現(xiàn)首家量產(chǎn)）
最初的章節(jié)將面向還沒(méi)有熟悉SiC的工程師,、以SiC的物理特性和優(yōu)點(diǎn)為基礎(chǔ)進(jìn)行解說(shuō),。后續(xù)，將針對(duì)SiC-SBD和SiC-MOSFET,，穿插與Si元器件的比較對(duì)其特性和使用方法的不同等進(jìn)行解說(shuō),，并介紹幾個(gè)采用事例。
全SiC模塊是作為電源段被優(yōu)化的模塊,，具有很多優(yōu)點(diǎn),。將在其特征的基礎(chǔ)上，對(duì)其在實(shí)際應(yīng)用中的具體活用要點(diǎn)進(jìn)行解說(shuō),。
由于SiC功率元器件在節(jié)能和小型化方面非常有效,，因此，希望在這里能加深對(duì)元器件的了解,，以幫助大家更得心應(yīng)手地使用它,。
何謂碳化硅
碳化硅（SiC）是比較新的半導(dǎo)體材料。一開(kāi)始,，我們先來(lái)了解一下它的物理特性和特征,。
SiC的物理特性和特征
SiC是由硅(Si)和碳(C)組成的化合物半導(dǎo)體材料。其結(jié)合力非常強(qiáng)，在熱,、化學(xué),、機(jī)械方面都非常穩(wěn)定。SiC存在各種多型體（多晶型體）,，它們的物理特性值各有不同,。4H-SiC最適用于功率元器件。下表為Si和近幾年經(jīng)常聽(tīng)到的半導(dǎo)體材料的比較,。
3英寸4H-SiC晶圓
表中黃色高亮部分是Si與SiC的比較,。藍(lán)色部分是用于功率元器件時(shí)的重要參數(shù)。如數(shù)值所示,，SiC的這些參數(shù)頗具優(yōu)勢(shì),。另外，與其他新材料不同,，它的一大特征是元器件制造所需的p型,、n型控制范圍很廣，這點(diǎn)與Si相同,?；谶@些優(yōu)勢(shì)，SiC作為超越Si限制的功率元器件用材料備受期待,。
SiC比Si的絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)高約10倍,，可耐600V～數(shù)千V的高壓。此時(shí),，與Si元器件相比,可提高雜質(zhì)濃度,，且可使膜厚的漂移層變薄。高耐壓功率元器件的電阻成分大多是漂移層的電阻,，阻值與漂移層的厚度成比例增加,。因?yàn)镾iC的漂移層可以變薄，所以可制作單位面積的導(dǎo)通電阻非常低的高耐壓元器件,。理論上,只要耐壓相同，與Si相比,SiC的單位面積漂移層電阻可低至1/300,。
Si功率元器件為改善高耐壓化產(chǎn)生的導(dǎo)通電阻増大問(wèn)題,，主要使用IGBT（絕緣柵極雙極晶體管）等少數(shù)載流子元器件（雙極元器件）。但因?yàn)殚_(kāi)關(guān)損耗大而具有發(fā)熱問(wèn)題,，實(shí)現(xiàn)高頻驅(qū)動(dòng)存在界限,。由于SiC能使肖特基勢(shì)壘二極管和MOSFET等高速多數(shù)載流子元器件的耐壓更高，因此能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)“高耐壓”,、“低導(dǎo)通電阻”,、“高速”。
此時(shí)，帶隙是Si的約3倍,，能夠在更高溫度下工作?，F(xiàn)在，受封裝耐熱性的制約可保證150℃～175℃的工作溫度,，但隨著封裝技術(shù)的發(fā)展將能達(dá)到200℃以上,。
以上簡(jiǎn)略介紹了一些要點(diǎn),對(duì)于沒(méi)有物理特性和工藝基礎(chǔ)的人來(lái)說(shuō)可能有些難，但請(qǐng)放心,即使不理解上述內(nèi)容也能使用SiC功率元器件,。
SiC功率元器件的開(kāi)發(fā)背景和優(yōu)點(diǎn)
前面對(duì)SiC的物理特性和SiC功率元器件的特征進(jìn)行了介紹,。SiC功率元器件具有優(yōu)于Si功率元器件的更高耐壓、更低導(dǎo)通電阻,、可更高速工作,且可在更高溫條件下工作,。接下來(lái)將針對(duì)SiC的開(kāi)發(fā)背景和具體優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行介紹。
SiC功率元器件的開(kāi)發(fā)背景
之前談到,，通過(guò)將SiC應(yīng)用到功率元器件上,，實(shí)現(xiàn)以往Si功率元器件無(wú)法實(shí)現(xiàn)的低損耗功率轉(zhuǎn)換。不難發(fā)現(xiàn)這是SiC使用到功率元器件上的一大理由,。其背景是為了促進(jìn)解決全球節(jié)能課題,。
以低功率DC/DC轉(zhuǎn)換器為例，隨著移動(dòng)技術(shù)的發(fā)展,，超過(guò)90%的轉(zhuǎn)換效率是很正常的,，然而高電壓、大電流的AC/DC轉(zhuǎn)換器的效率還存在改善空間,。眾所周知,，以EU為主的相關(guān)節(jié)能指令強(qiáng)烈要求電氣/電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)包括消減待機(jī)功耗在內(nèi)的節(jié)能目標(biāo)。
在這種背景下,，削減功率轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的能耗是當(dāng)務(wù)之急,。不用說(shuō)，必須將超過(guò)Si極限的物質(zhì)應(yīng)用于功率元器件,。
例如,，利用SiC功率元器件可以比IGBT的開(kāi)關(guān)損耗降低85%。如該例所示,，毫無(wú)疑問(wèn),，SiC功率元器件將成為能源問(wèn)題的一大解決方案。
SiC的優(yōu)點(diǎn)
如前文所述,，利用SiC可以大幅度降低能量損耗,。當(dāng)然，這是SiC很大的優(yōu)點(diǎn),，接下來(lái)希望再了解一下低阻值,、高速工作,、高溫工作等SiC的特征所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。
通過(guò)與Si的比較來(lái)進(jìn)行介紹,?！钡妥柚怠笨梢詥渭兘忉尀闇p少損耗，但阻值相同的話(huà)就可以縮小元件（芯片）的面積,。應(yīng)對(duì)大功率時(shí),，有時(shí)會(huì)使用將多個(gè)晶體管和二極管一體化的功率模塊。例如,，SiC功率模塊的尺寸可達(dá)到僅為Si的1/10左右,。
關(guān)于“高速工作”，通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率,，變壓器,、線(xiàn)圈、電容器等周邊元件的體積可以更小,。實(shí)際上有能做到原有1/10左右的例子,。
“高溫工作”是指容許在更高溫度下的工作，可以簡(jiǎn)化散熱器等冷卻機(jī)構(gòu),。
如上所述,，可使用SiC來(lái)改進(jìn)效率或應(yīng)對(duì)更大功率。而以現(xiàn)狀的電力情況來(lái)說(shuō),，通過(guò)使用SiC可實(shí)現(xiàn)顯著小型化也是SiC的一大優(yōu)點(diǎn),。不僅直接節(jié)能，與放置場(chǎng)所和運(yùn)輸?shù)乳g接節(jié)能相關(guān)的小型化也是重要課題之一,。
