SiC器件与Si器件性能比较

只看该作者 · 2013-6-26 14:09

上周在罗姆的巡回展上看到了其量产的SiC功率器件，其实另一家SiC厂商Cree也早就有产品出来了，SiC产品产品究竟比Si产品有多大的性能提升，最近也查了不少资料，这里做个归总吧!
SiC是什么?
碳化硅(SiC)是一种Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体材料，具有多种同素异构类型。其典型结构可分为两类：一类是闪锌矿结构的立方SiC晶型，称为3C或 β-SiC，这里3指的是周期性次序中面的数目;另一类是六角型或菱形结构的大周期结构，其中典型的有6H、4H、15R等，统称为α-SiC。与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℃以上的高温环境，并具有极好的抗辐射性能。
相比于Si器件，SiC功率器件的优势体现在哪些方面?
作为一种宽禁带半导体材料，SiC对功率半导体可以说是一个冲击。这种材料不但击穿电场强度高、热稳定性好，还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点。具体来看，其导热性能是Si材料的3倍以上;在相同反压下，SiC材料的击穿电场强度比Si高10倍，而内阻仅是Si片的百分之一。SiC器件的工作温度可以达到600℃，而一般的Si器件最多能**到150℃。
因为这些特性，SiC可以用来制造各种耐高温的高频大功率器件，应用于Si 器件难以胜任的场合。以SiC肖特基二极管为例，它是速度最快的高压肖特基二极管，无需反向恢复充电，可大幅降低开关损耗、提高开关频率，适用于比采用硅技术的肖特基二极管高得多的操作电压范围，例如，600V SiC肖特基二极管可以用在SMPS中，300V SiC肖特基二极管可以用作48~60V快速输出开关电源的整流二极管，而1,200V SiC肖特基二极管与硅IGBT组合后可以作为理想的续流二极管。
采用硅材料的MOSFET在提高器件阻断电压时，必须加宽器件的漂移区，这会使其内阻迅速增大，压降增高，损耗增大。阻断电压范围在 1,200~1,800V的硅MOSFET不仅体积大，而且价格昂贵。IGBT虽然在高压应用时可降低导通功耗，但若开关频率增加时，开关功耗亦随之增大。因此IGBT在高频开关电源上亦有其本身的限制。而用SiC做衬底的MOSFET，可轻易做到1,000～2,000伏的MOSFET，其开关特性 (结电容值，开关损耗，开关波型等)则与100多伏的硅MOSFET相若，导通电阻更可低至毫欧值。在高压开关电源应用上，完全可取代硅IGBT并可提高系统的整体效率以及开关频率。
价格较贵是否会是采用SiC功率器件的一个阻碍?
单就Si器件和SiC器件的价差来看，确实有较大的差异，但如果从SiC器件带来的系统性能提升来看，将会发现其带来的总体效益远远超过两类器件的价差。在SiC特别适合的高压应用中，如果充分发挥SiC器件的特性，这一整体优势表现得非常明显。
具体来看，其整体优势主要体现在下面几个方面：一是SiC功率器件带来开关损耗的大幅降低，可以大大提高系统的效率;二是因为SiC器件无反向恢复、散热性能好等特点，减少周边器件的使用或者采用体积较小的器件，线路也得到优化，从而在整体上缩减了系统尺寸;最后，因为效率提高、器件精简从而获得了系统整体成本的节约。