電力電子新技術(shù)的發(fā)展已將工業(yè)市場引向其他資源以優(yōu)化能源效率,。硅和鍺是當(dāng)今用于生產(chǎn)半導(dǎo)體的兩種主要材料,。損耗和開關(guān)速度方面的有限發(fā)展已將技術(shù)引向新的寬帶隙資源,，例如碳化硅 (SiC)。

SiC提供比硅更高的效率水平,，這主要是由于顯著降低的能量損失和反向充電,。這導(dǎo)致在開啟和關(guān)閉階段需要更多的開關(guān)功率和更少的能量。較低的熱損失還可以移除冷卻系統(tǒng),，從而減少空間,、重量和基礎(chǔ)設(shè)施成本。隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能應(yīng)用的部署不斷增加以及向云端的遷移,，提高能源密集型 IT 基礎(chǔ)設(shè)施管理效率將變得越來越重要,。

碳化硅具有比純硅更寬的帶寬，這使得該技術(shù)甚至可以在高工作溫度下使用,。

寬帶隙參數(shù)

寬帶隙半導(dǎo)體的帶隙比硅或砷化鎵 (GaAs) 等普通半導(dǎo)體寬得多,。這自然會轉(zhuǎn)化為更大的擊穿電場，并轉(zhuǎn)化為在高溫下工作并降低輻射敏感性而不損失電氣特性的可能性,。

隨著溫度的升高,，價帶中電子的熱能也隨之增加，直到它們達(dá)到躍遷到導(dǎo)帶所必需的能量(在一定溫度下),。對于硅，該溫度約為 150°C;然而,，對于 WBG 半導(dǎo)體,，這些值要高得多。

高電擊穿場提供更高的擊穿電壓,。該電壓是擊穿體二極管斷開時的值,，并且不斷增加的電流在源極和漏極之間流動。PN結(jié)二極管的擊穿電壓與擊穿電場成正比,，與材料濃度成反比,。

高電場為低得多的漂移區(qū)域提供了出色的摻雜和電阻水平。在相同的擊穿電壓下,，漂移區(qū)的寬度與擊穿電場成反比,。

另一個重要參數(shù)是漂移區(qū)的導(dǎo)通電阻。分析前面的 PN 結(jié)二極管示例,，我們可以看到導(dǎo)通電阻與單極元件的擊穿電場成反比,。

較薄的半導(dǎo)體層涉及較低密度的少數(shù)載流子，這是定義反向恢復(fù)電流的重要參數(shù),。事實上,，在其他特性相同的情況下，設(shè)計用于支持更高電流的更大裸片的組件將具有更大的電荷，這些電荷會經(jīng)歷導(dǎo)通和阻斷之間的瞬變,，因此將具有更大的反向恢復(fù)電流,。半導(dǎo)體切換到高頻的能力與其飽和漂移速度成正比：碳化硅和氮化鎵的漂移速度是硅的兩倍。結(jié)果,，后者可以安全地以更高的頻率運行,。此外，更高的飽和漂移率相當(dāng)于更快地去除電荷;這導(dǎo)致更短的恢復(fù)時間和更低的反向恢復(fù)電流,。

在高溫和更寬的帶隙下工作的可能性也取決于材料的熱導(dǎo)率,。有幾種評估熱阻的方法：您可以分析結(jié)與外殼之間的熱阻或結(jié)與環(huán)境之間的熱阻。

當(dāng)未連接外部散熱器時,，結(jié)與環(huán)境之間的熱阻是一個有用的參數(shù),，例如在您想要比較不同封裝的熱性能的情況下。

可以使用品質(zhì)因數(shù)以與導(dǎo)通電阻和柵極輸入電荷之間的乘積成正比的方式比較材料,。這些參數(shù)分別決定了傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗,，并且相互關(guān)聯(lián);通常，較低電荷值的元件將具有稍高的導(dǎo)通電阻,。

碳化硅二極管

碳化硅二極管多為肖特基二極管,。經(jīng)典硅二極管基于 PN 結(jié)。在肖特基二極管中,，金屬被 p 型半導(dǎo)體取代,，形成金屬-半導(dǎo)體 (ms) 結(jié)或肖特基勢壘。這提供了低傳導(dǎo)壓降,、高開關(guān)速度和低噪聲,。肖特基二極管用于控制電路內(nèi)電流的方向，使其僅從陽極流向陰極,。當(dāng)肖特基二極管處于無偏置狀態(tài)時,，自由電子將從 n 型半導(dǎo)體移動到形成勢壘的金屬。在正向偏置狀態(tài)下,，如果電壓大于 0.2 V,，電子可以穿過勢壘。

碳化硅二極管的漏電流遠(yuǎn)低于普通二極管,。作為 WBG 半導(dǎo)體,，碳化硅具有低得多的漏電流并且可以比硅高得多的摻雜。此外,，由于碳化硅的帶隙較寬,，SiC二極管的正向電壓高于硅二極管。

在對 System Plus Consulting 的電力電子和化合物半導(dǎo)體團(tuán)隊成員 Amine Allouche 的采訪中,，我們強調(diào)了 SiC 二極管的一些特性,。

與普通的 PiN 二極管不同，肖特基二極管沒有恢復(fù)電流，因為它們是具有多數(shù)電荷載流子的單極元件,。然而,，它們確實表現(xiàn)出一些由封裝和電路的寄生能力和電感引起的恢復(fù)效應(yīng)。SiC 二極管的主要應(yīng)用是在電源電路中,，尤其是在 CCM(連續(xù)導(dǎo)通模式)的 PFC(功率因數(shù)校正)電路中,。碳化硅 (SiC) 賦予二極管更高的故障電壓和更高的電流容量，從而在工業(yè)充電中找到了空間,。

“根據(jù) Yole Développement 的數(shù)據(jù),，2019 年功率 SiC 裸二極管裸片市場價值 1.6 億美元。這包括各種不同的細(xì)分市場,，例如汽車,、能源、工業(yè)……實際上,，SiC 二極管主要用于中壓應(yīng)用(汽車, PV, 電機控制...) 到高壓應(yīng)用(智能電網(wǎng)...),。在汽車應(yīng)用中，SiC 器件,，尤其是 SiC 二極管,，目前被用于車載充電器 (OBC)，”Allouche 說,。

與所有 SiC 芯片一樣,，Allouche 強調(diào)，SiC 二極管面臨的主要挑戰(zhàn)可分為三個層面：

· 材料層面：SiC 晶圓的生產(chǎn)成本較高(例如與 Si 晶圓相比),。商業(yè)化的晶圓尺寸仍然有限(最大 6 英寸),，而硅晶圓目前正在過渡到 12 英寸。

制造可靠設(shè)備所需的高質(zhì)量晶圓的大批量供應(yīng)商數(shù)量有限,。我們的報告強調(diào)了這一點，我們比較了 SiC 二極管制造商/銷售商的原始 SiC 晶圓成本：Infineon,、Wolfspeed,、Rohm、STMicroelectronics,、ON Semiconductor,、Microsemi 和 UnitedSiC。

· 器件級：器件可靠性在一些關(guān)鍵工藝步驟中具有挑戰(zhàn)性,，例如 SiC 外延,、SiC 摻雜(需要高溫)、SiC 蝕刻……與更成熟的硅技術(shù)相比,，制造良率仍需要提高,。

我們的報告詳細(xì)介紹了外延良率和晶圓前端制造良率對 SiC 二極管生產(chǎn)成本的影響。

· 系統(tǒng)級：封裝是 SiC 二極管的另一個挑戰(zhàn)。需要開發(fā)新的封裝解決方案以充分利用 SiC 技術(shù)優(yōu)勢,。Yole 的報告詳細(xì)介紹了與市場上可用的 SiC 二極管相關(guān)的不同封裝方面,，從封裝類型、芯片貼裝到引線鍵合,。

SiC二極管可以組裝成分立封裝,，在混合模塊中作為與硅基晶體管的反并聯(lián)二極管使用，或者在與SiC晶體管的全SiC模塊中作為反并聯(lián)二極管使用,。

“例如,，在我們的報告中，我們強調(diào)了制造商的芯片粘接選擇,。在我們分析的 7 家制造商的 11 款 SiC 二極管中,，我們觀察到 5 種類型的貼片。其中以錫基附著最為常見,。然而,，一位賣家使用了一種特定類型的高性能芯片貼裝，但這會損害制造成本,，”Allouche 說

碳化硅的高導(dǎo)熱性允許更好的散熱,，提供比硅更小的外形尺寸。這允許降低成本并具有更小的包裝,。

碳化硅肖特基二極管的恢復(fù)時間和電恢復(fù)電荷較淺;重要且有趣的是,，恢復(fù)時間和電流與溫度和電流瞬變無關(guān)，這與恢復(fù)時間和電流隨溫度顯著增加的硅二極管不同,。

SiC 二極管是逆變器中的絕佳替代品：只需將它們用作與硅 IGBT 反并聯(lián)放置的二極管,，就可以減少損耗。在典型的混合動力電動汽車 (HEV) 中,，用碳化硅組件替代硅組件可將牽引效率提高 10% 以上,。這導(dǎo)致散熱器體積減少到 1/3。

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