SiC电力电子器件简介.ppt

§6 SiC材料及器件§6.1 SiC材料简介无论是半导体分立元器件还是集成电路，第一代元素半导体材料Si都是当今微电子器件的主要基底材料，Si器件占据着当今微电子器件领域的绝大部分市场份额。

除Si外，以GaAs、为代表的第二代化合物半导体也有着广泛的应用。

然而，Si器件也有着它应用的局限性。

硅材料是间接带隙，带隙宽度较小，只有1.1 eV。

这样的带隙宽度决定了当温度较高时，由热激发的本征载流子浓度超过由掺杂引起的杂质载流子浓度，使得Si成为本征半导体，掺杂特性消失，从而器件不能正常工作。

Si的热导率也较低(1.5 W/cm.K)，Si器件散热慢，限制了其在功率器件中的应用。

此外，Si的化学稳定性也一般。

Si材料的这些局限性使得它难以在高于250 o C的环境下正常工作，尤其在高频、大功率以及强辐射等极端条件下，硅器件就更难以胜任。

GaAs的禁带比Si稍宽，有利于制作需要在较高温度下工作的器件，但其热导率较低，不适合制作电力电子器件，难以在大功率和强辐射等极端条件下工作。

近年来，随着半导体器件应用领域的不断扩大，特别是有些特殊场合要求半导体适应在高温、强辐射和大功率等环境下工作，传统的一和二代半导体无能为力。

于是人们将目光投向一些被称为第三代宽带隙半导体材料的研究，如金刚石、SiC、GaN和AlN 等。

这些材料的禁带宽度在2 eV以上，拥有一系列优异的物理和化学性能。

在第三代半导体材料中，SiC和GaN已经从材料研究阶段逐步进入器件研究阶段，基于这两种材料的部分器件(如LED)已经实现商品化。

相对于GaN，SiC的导热系数明显提高，而且SiC单晶材料更容易获得，价格也相对较低，因此在高温和大功率领域SiC更有优势。

SiC 具有大禁带宽度、高临界场强、高热导率和高载流子饱和速率等特性，其品质因数远远超过了Si和GaAs(如表6所示)，因而成为制造高功率器件、高频器件、高温器件和抗辐照器件最重要的半导体材料。

电力电子中的碳化硅SiCSiC in Power ElectronicsVolker Demuth, Head of Product Management Component, SEMIKRON Germany据预测，采用SiC的功率模块将进入诸如可再生能源、UPS电源、驱动器和汽车等应用。

风电和牵引应用可能会随之而来。

到2021年，SiC功率器件市场总额预计将上升到10亿美元 [1]。

在某些市场，如太阳能，SiC器件已投入运行，尽管事实上这些模块的价格仍然比常规硅器件高。

是什么使这种材料具有足够的吸引力，即使价格更高也心甘情愿地被接受？首先，作为宽禁带材料，SiC提供了功率半导体器件的新设计方法。

传统功率硅技术中，I GBT开关被用于高于600V的电压，并且硅PIN-续流二极管是最先进的。

硅功率器件的设计与软开关特性造成相当大的功率损耗。

有了SiC的宽禁带，可设计阻断电压高达15kV的高压MOSFET，同时动态损耗非常小。

有了SiC，传统的软关断硅二极管可由肖特基二极管取代，并带来非常低的开关损耗。

作为一个额外的优势，SiC具有比硅高3倍的热传导率。

连同低功率损耗，SiC是提高功率模块中功率密度的一种理想材料。

目前可用的设计是SiC混合模块〔IGBT和SiC肖特基二极管〕和全SiC模块。

SiC混合模块SiC混合模块中，传统IGBT与SiC肖特基二极管一起开关。

虽然SiC器件的主要优势是与低动态损耗相关，但首先讨论SiC肖特基二极管的静态损耗。

通常情况下，SiC器件的静态损耗似乎比传统的硅器件更高。

图1.a显示了传统软开关600V赛米控CAL HD续流二极管的正向压降V f，为低开关损耗而优化的快速硅二极管和SiC肖特基二极管，所有的额定电流为10 A。

图1.a中：25℃和150℃下不同续流二极管的正向电流与正向压降。

对比了10A的SiC肖特基二极管，传统的软开关硅二极管〔CAL HD〕和快速硅二极管〔硅快速〕。

sic 器件结构解读
SiC（碳化硅）器件是一种广泛应用于高温、高功率和高频电子设备的半导体材料。

SiC器件的结构主要包括以下几个部分：
1. 基板：基板是SiC器件的基础，它承载着其他各个组件。

常见的基板类型有硅基板、碳化硅基板和氮化硅基板等。

2. 散热层：由于SiC材料的导热性能优异，散热层在器件结构中起到关键作用。

散热层可以帮助分散器件内部产生的热量，防止器件过热，保证其正常工作。

3. 绝缘层：绝缘层位于基板和散热层之间，主要用于隔离不同电位区域，防止电流泄漏。

常见的绝缘层材料有氧化铝、氮化硅等。

4. 导电层：导电层主要包括金属导电层和碳化硅导电层。

金属导电层主要用于连接器件的各个电极，而碳化硅导电层则可用于构建场效应晶体管（FET）等器件。

5. 电极：电极是SiC器件的关键部分，用于输入和输出电信号。

电极通常采用金属材料，如钨、钼等，以保证良好的导电性能。

6. 器件结构：SiC器件结构根据具体应用需求可以有很多种形式，如MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、功率模块等。

这些结构通常包括多个半导体层，如n型层、p型层等，以及用于隔离和连接这些层的绝缘层和导电层。

总之，SiC器件结构主要包括基板、散热层、绝缘层、导电层、电极和根据应用定制的器件结构。

了解这些部分有助于我们更好地理解SiC器件的工作原理和性能优势。

§6 SiC材料及器件§6.1 SiC材料简介无论是半导体分立元器件还是集成电路，第一代元素半导体材料Si都是当今微电子器件的主要基底材料，Si器件占据着当今微电子器件领域的绝大部分市场份额。

除Si外，以GaAs、为代表的第二代化合物半导体也有着广泛的应用。

然而，Si器件也有着它应用的局限性。

硅材料是间接带隙，带隙宽度较小，只有1.1 eV。

这样的带隙宽度决定了当温度较高时，由热激发的本征载流子浓度超过由掺杂引起的杂质载流子浓度，使得Si成为本征半导体，掺杂特性消失，从而器件不能正常工作。

Si的热导率也较低(1.5 W/cm.K)，Si器件散热慢，限制了其在功率器件中的应用。

此外，Si的化学稳定性也一般。

Si材料的这些局限性使得它难以在高于250 o C的环境下正常工作，尤其在高频、大功率以及强辐射等极端条件下，硅器件就更难以胜任。

GaAs的禁带比Si稍宽，有利于制作需要在较高温度下工作的器件，但其热导率较低，不适合制作电力电子器件，难以在大功率和强辐射等极端条件下工作。

近年来，随着半导体器件应用领域的不断扩大，特别是有些特殊场合要求半导体适应在高温、强辐射和大功率等环境下工作，传统的一和二代半导体无能为力。

于是人们将目光投向一些被称为第三代宽带隙半导体材料的研究，如金刚石、SiC、GaN和AlN 等。

这些材料的禁带宽度在2 eV以上，拥有一系列优异的物理和化学性能。

在第三代半导体材料中，SiC和GaN已经从材料研究阶段逐步进入器件研究阶段，基于这两种材料的部分器件(如LED)已经实现商品化。

相对于GaN，SiC的导热系数明显提高，而且SiC单晶材料更容易获得，价格也相对较低，因此在高温和大功率领域SiC更有优势。

SiC 具有大禁带宽度、高临界场强、高热导率和高载流子饱和速率等特性，其品质因数远远超过了Si和GaAs(如表6所示)，因而成为制造高功率器件、高频器件、高温器件和抗辐照器件最重要的半导体材料。