在TechWeb的“基礎知識”里新添加了關于“功率元器件”的記述,。近年來,，使用“功率元器件”或“功率半導體”等說法，以大功率低損耗為目的二極管和晶體管等分立（分立半導體）元器件備受矚目,。這是因為,，為了應對全球共通的“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)常聽到的“功率元器件”，具體來說是基于什么定義來分類的呢,？恐怕是沒有一個明確的分類的,，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分類等等。

　　在這里,，分以下二個方面進行闡述：一是以傳統(tǒng)的硅半導體為基礎的“硅（Si）功率元器件”,，另一是與Si半導體相比，損耗更低,，高溫環(huán)境條件下工作特性優(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半導體已經(jīng)開始實際應用，并且還應用在對品質(zhì)可靠性要求很嚴苛的車載設備上,。提起SiC,，可能在有些人的印象中是使用在大功率的特殊應用上的，但是實際上,，它卻是在我們身邊的應用中對節(jié)能和小型化貢獻巨大的功率元器件,。

　　SiC功率元器件

　　關于SiC功率元器件，將分以下4部分進行講解,。

　　SiC是在熱,、化學、機械方面都非常穩(wěn)定的化合物半導體,，對于功率元器件來說的重要參數(shù)都非常優(yōu)異,。作為元件，具有優(yōu)于Si半導體的低阻值,，可以高速工作,，高溫工作，能夠大幅度削減從電力傳輸?shù)綄嶋H設備的各種功率轉(zhuǎn)換過程中的能量損耗,。

　　SiC半導體的功率元器件SiC-SBD（肖特基勢壘二極管）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實現(xiàn)量產(chǎn)。此時,，第二代元器件也已量產(chǎn),，發(fā)展速度很快。（＊1：ROHM在日本國內(nèi)或世界實現(xiàn)首家量產(chǎn)）

　　最初的章節(jié)將面向還沒有熟悉SiC的工程師,、以SiC的物理特性和優(yōu)點為基礎進行解說,。后續(xù)，將針對SiC-SBD和SiC-MOSFET,，穿插與Si元器件的比較對其特性和使用方法的不同等進行解說,，并介紹幾個采用事例。

　　全SiC模塊是作為電源段被優(yōu)化的模塊,，具有很多優(yōu)點,。將在其特征的基礎上，對其在實際應用中的具體活用要點進行解說,。

　　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元器件的了解,，以幫助大家更得心應手地使用它,。

　　何謂碳化硅

　　碳化硅（SiC）是比較新的半導體材料。一開始,，我們先來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)組成的化合物半導體材料,。其結合力非常強，在熱,、化學,、機械方面都非常穩(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)常聽到的半導體材料的比較,。

　　3英寸4H-SiC晶圓

　　表中黃色高亮部分是Si與SiC的比較,。藍色部分是用于功率元器件時的重要參數(shù)。如數(shù)值所示,，SiC的這些參數(shù)頗具優(yōu)勢,。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，這點與Si相同,?；谶@些優(yōu)勢，SiC作為超越Si限制的功率元器件用材料備受期待,。

　　SiC比Si的絕緣擊穿場強高約10倍,，可耐600V～數(shù)千V的高壓。此時,，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,。因為SiC的漂移層可以變薄，所以可制作單位面積的導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)生的導通電阻増大問題,，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）,。但因為開關損耗大而具有發(fā)熱問題，實現(xiàn)高頻驅(qū)動存在界限,。由于SiC能使肖特基勢壘二極管和MOSFET等高速多數(shù)載流子元器件的耐壓更高,，因此能夠同時實現(xiàn)“高耐壓”、“低導通電阻”,、“高速”,。

　　此時，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,，但隨著封裝技術的發(fā)展將能達到200℃以上,。

　　以上簡略介紹了一些要點,對于沒有物理特性和工藝基礎的人來說可能有些難，但請放心,即使不理解上述內(nèi)容也能使用SiC功率元器件,。

　　SiC功率元器件的開發(fā)背景和優(yōu)點

　　前面對SiC的物理特性和SiC功率元器件的特征進行了介紹,。SiC功率元器件具有優(yōu)于Si功率元器件的更高耐壓、更低導通電阻,、可更高速工作,且可在更高溫條件下工作,。接下來將針對SiC的開發(fā)背景和具體優(yōu)點進行介紹。

　　SiC功率元器件的開發(fā)背景

　　之前談到,，通過將SiC應用到功率元器件上,，實現(xiàn)以往Si功率元器件無法實現(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,，隨著移動技術的發(fā)展,，超過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為主的相關節(jié)能指令強烈要求電氣/電子設備實現(xiàn)包括消減待機功耗在內(nèi)的節(jié)能目標。

　　在這種背景下,，削減功率轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生的能耗是當務之急,。不用說,，必須將超過Si極限的物質(zhì)應用于功率元器件,。

　　例如,，利用SiC功率元器件可以比IGBT的開關損耗降低85%,。如該例所示，毫無疑問,，SiC功率元器件將成為能源問題的一大解決方案。

　　SiC的優(yōu)點

　　如前文所述，利用SiC可以大幅度降低能量損耗,。當然,，這是SiC很大的優(yōu)點，接下來希望再了解一下低阻值,、高速工作,、高溫工作等SiC的特征所帶來的優(yōu)勢。

　　通過與Si的比較來進行介紹,。”低阻值”可以單純解釋為減少損耗,，但阻值相同的話就可以縮小元件（芯片）的面積。應對大功率時,，有時會使用將多個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到僅為Si的1/10左右,。

　　關于“高速工作”,，通過提高開關頻率,，變壓器,、線圈、電容器等周邊元件的體積可以更小,。實際上有能做到原有1/10左右的例子。

　　“高溫工作”是指容許在更高溫度下的工作,，可以簡化散熱器等冷卻機構,。

　　如上所述,，可使用SiC來改進效率或應對更大功率,。而以現(xiàn)狀的電力情況來說,，通過使用SiC可實現(xiàn)顯著小型化也是SiC的一大優(yōu)點。不僅直接節(jié)能,，與放置場所和運輸?shù)乳g接節(jié)能相關的小型化也是重要課題之一。