碳化硅 MOSFET 器件结构和特性.docx
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1、碳化硅MOSFET器件结构和特性SiC (碳化硅)是由硅和碳化物组成的化合物半导体。与硅相比,SiC具有许 多优势,包括10倍的击穿电场强度,3倍的带隙,以及实现器件结构所需的更 广泛的P型和n型控制。其结果是硅无法实现的突破性性能,使其成为下一代功率器件最可行的继任 者。Sie存在多种多型(多晶型),每种具有不同的物理性质。在这些多类型中, 4H-SiC是功率器件最理想的。功率器件特性SiC的击穿电场强度是硅的10倍,因此可以通过更薄的漂移层和更高的杂质 浓度配置更高电压(60OV至XNUMXV)的功率器件。由于高压器件的大部分电 阻成分位于漂移层电阻中,因此SiC能够以极低的单位面积导通电
2、阻实现更高的 耐压。理论上,在相同的耐压下,单位面积的漂移层电阻可比硅降低300倍。为了尽量减少使用硅的较高耐压下导通电阻的增加,通常使用少数载流子器 件(双极性),例如IGBT (绝缘栅双极晶体管)。然而,这会增加开关损耗,从 而导致更大的热量产生并限制高频操作。相比之下,SiC通过高速器件结构,使用多数载流器件(肖特基势垒二极管、 MOSFET)实现高耐压成为可能,同时实现高耐压、低导通电阻和高速运行。3 倍宽的带隙允许功率器件在更高的温度下工作,从而大大扩展了适用性。 -Significantly reduces recovery loss-Higher frequency operat
3、ion contributes greater minaturizationOMinority earner devices. Low ON resistance (but low speed)OMaIMty carrier devices High speed operationQ COProvides marginalbenefits over siliconin this areaVthstadVoltage 16.5kV3.3kV1.7kV1.2kV900V600V400V100 VSiSjC碳化硅SBD器件结构和特点将碳化硅高速器件结构集成到肖特基势垒二极管(SBD)中,可以实现 大
4、于600V的耐压(与硅SBD的200V相反)。因此,替换现有的主流PN结二极管(快速恢复型)可显著降低恢复损耗, 有助于降低线圈等无源元件的噪声和更紧凑性。这是由于电源效率的提高和操作 频率的提高。这确保了对功率因数校正电路(PFe)和整流桥的支持,使其适用 于更广泛的应用,包括交流电、电源、太阳能功率调节器、电动汽车快速充电器。碳化硅SBD正向特性SiCSBD的上升电压小于IV-相当于FRD的上升电压。上升电压由肖特基势垒 的高度决定。然而,尽管设计较低的正常势垒高度可以降低上升电压,但这是以 泄漏电流为代价的,漏电流在反向偏置期间会增加。为此,RoHM成功为其第2 代SBD设计了一种工艺,
5、可将上升电压降低约0.15V,同时保持与传统产品相当 的漏电流和恢复特性。此外,温度依赖性与Si FRD明显不同,Vf随着高温下的工作电阻而增加。 这有助于防止热失控,确保即使并联也能无忧运行。碳化硅SBD反向恢复特性在硅高速PN二极管(FRD)中,当方向从正向切换到反向时,较大的瞬态 电流会流动,这在这段时间内切换到反向偏置条件时可能导致较大的损耗。当施 加正向电流时,积聚在漂移层中的少数载流子有助于导电,直到它们消失(存储 时间)。随着正向电流的升高和温度的升高,这会增加恢复时间和恢复电流,从 而导致显著的损耗。相比之下,SiCSBD是多数载流子器件(单极),不使用少数载流子进行导电, 因
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