黑碳化硅 SiC－黑色誘惑，未來(lái)已來(lái)

碳化硅 (SiC)黑碳化硅，英文名稱(chēng) silicon carbide，俗稱(chēng)金剛砂。純碳化硅是無(wú)色透明的晶體；工業(yè)碳化硅因所含雜質(zhì)的種類(lèi)和含量不同，而呈淺黃、綠、藍(lán)乃至黑色，透明度隨其純度不同而異。

碳化硅晶體結(jié)構(gòu)分為六方或菱面體的 α-SiC 和立方體的 β-SiC（稱(chēng)立方碳化硅)。

其中：

? α-SiC 由于其晶體結(jié)構(gòu)中碳和硅原子的堆垛序列不同而構(gòu)成許多不同變體，已發(fā)現(xiàn) 70 余種。

?β-SiC 于 2100℃ 以上時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)?α-SiC。

碳化硅的工業(yè)制法是用優(yōu)質(zhì)石英砂和石油焦在電阻爐內(nèi)煉制。煉得的碳化硅塊，經(jīng)破碎、酸堿洗、磁選和篩分或水選而制成各種粒度的產(chǎn)品。

碳化硅有黑碳化硅和綠碳化硅兩個(gè)常用的基該品種，都屬 α-SiC。

① 黑碳化硅含 SiC 約 95%，其韌性高于綠碳化硅，大多用于加工抗張強(qiáng)度低的材料，如玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、鑄鐵和有色金屬等。

② 綠碳化硅含 SiC 約 97% 以上，自銳性好，大多用于加工硬質(zhì)合金、鈦合金和光學(xué)玻璃，也用于珩磨汽缸套和精磨高速鋼刀具。

此外還有立方碳化硅，它是以特殊工藝制取的黃綠色晶體，用以制作的磨具適于軸承的超精加工，可使表面粗糙度從 Ra32～0.16 微米一次加工到 Ra0.04～0.02 微米。

從低端到最先進(jìn)科技，碳化硅與我們生活每一個(gè)角落處處相關(guān)。

比如：

?碳化硅避雷器，我們用電安全的幕后英雄；

?高速公路，一種用碳化硅砂與改性瀝青混合鋪就的康莊大道；

?碳化硅砂輪，小作坊一角，滿(mǎn)地灰塵和飛濺的火花……

這類(lèi)砂型為基礎(chǔ)的碳化硅，還需要凈化到 99.999％ 以上做成單晶，才能被用于半導(dǎo)體加工。

根據(jù)百科介紹，碳化硅顏色是和純度有關(guān)，從透明晶體色一直延續(xù)到黑色。那么，單晶是什么顏色的？

這是我國(guó)制成的四寸單晶體，像不像一個(gè)切了邊的黑圓面包？

晶架上切薄的 SiC 晶片。

SiC 在電源中的應(yīng)用，最基本的，是做絕緣墊或散熱器。由于 SiC 最耐高溫和低膨脹系數(shù)，直接做成了散熱器板，用在需要高強(qiáng)度散熱地方，比如一些高端電源和 LED 照明。

Al2O3

Si3N4

SiC

碳化硅二極管和 MOSFET

說(shuō)道半導(dǎo)體領(lǐng)域，最不可繞過(guò)碳化硅二極管和 MOSFET 了。

1842年

碳化硅被發(fā)現(xiàn)，但因其制備時(shí)的工藝難度大，并且器件的成品率低，導(dǎo)致了價(jià)格較高，這影響了它的應(yīng)用；

1955年

生產(chǎn)高品質(zhì)碳化硅的方法出現(xiàn)促進(jìn)了 SiC 材料的發(fā)展，在航天、航空、雷達(dá)和核能開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域得到應(yīng)用；

1987年

商業(yè)化生產(chǎn)的 SiC 進(jìn)入市場(chǎng)，并應(yīng)用于石油地?zé)岬目碧?、變頻空調(diào)的開(kāi)發(fā)、平板電視的應(yīng)用以及太陽(yáng)能變換的領(lǐng)域。

對(duì)于電源人來(lái)講，最早批量商業(yè)化的，非碳化硅肖特基二極管莫屬。

SBD 在導(dǎo)通過(guò)程中沒(méi)有額外載流子的注入和儲(chǔ)存，因而反向恢復(fù)電流小，關(guān)斷過(guò)程很快，開(kāi)關(guān)損耗小。

傳統(tǒng)的硅肖特基二極管，由于所有金屬與硅的功函數(shù)差都不很大，硅的肖特基勢(shì)壘較低，硅 SBD 的反向漏電流偏大，阻斷電壓較低，只能用于一二百伏的低電壓場(chǎng)合且不適合在 150 ℃ 以上工作。

然而，碳化硅 SBD 彌補(bǔ)了硅 SBD 的不足，許多金屬，例如鎳、金、鈀、鈦、鈷等，都可以與碳化硅形成肖特基勢(shì)壘高度 1eV 以上的肖特基接觸。

據(jù)報(bào)道：

? Au/4H-SiC 接觸的勢(shì)壘高度可達(dá)到 1.73eV；

? Ti/4H-SiC 接觸的勢(shì)壘比較低，但最高也可以達(dá)到 1.1eV；

? 6H-SiC與各種金屬接觸之間的肖特基勢(shì)壘高度變化比較寬，最低只有 0.5 eV，最高可達(dá)1.7 eV。

于是，SBD 成為人們開(kāi)發(fā)碳化硅電力電子器件首先關(guān)注的對(duì)象。它是高壓快速與低功率損耗、耐高溫相結(jié)合的理想器件。

不同結(jié)構(gòu)二極管特性對(duì)比：

金屬與半導(dǎo)體接觸時(shí)，載流子流經(jīng)肖特基勢(shì)壘形成的電流主要有四種輸運(yùn)途徑。

這四種輸運(yùn)方式為：

1. N 型 4H-SiC 半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的載流子電子越過(guò)勢(shì)壘頂部熱發(fā)射到金屬；

2. N 型 4H-SiC 半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的載流子電子以量子力學(xué)隧穿效應(yīng)進(jìn)入金屬；

3. 空間電荷區(qū)中空穴和電子的復(fù)合；

4. 4H-SiC 半導(dǎo)體與金屬由于空穴注入效應(yīng)導(dǎo)致的的中性區(qū)復(fù)合。

載流子輸運(yùn)主要由前兩種情況決定。

第 1 種輸運(yùn)方式是 4H-SiC 半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的載流子越過(guò)勢(shì)壘頂部熱發(fā)射到金屬進(jìn)行電流輸運(yùn)，也就是整流接觸。

第 2 種輸運(yùn)方式又分成兩個(gè)狀況，隨著 4H-SiC 半導(dǎo)體摻雜濃度的增加，耗盡層逐漸變薄，肖特基勢(shì)壘也逐漸降低，4H-SiC 半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的載流子由隧穿效應(yīng)進(jìn)入到金屬的幾率變大。

一種是4H-SiC 半導(dǎo)體的摻雜濃度非常大時(shí)，肖特基勢(shì)壘變得很低，N 型 4H-SiC 半導(dǎo)體的載流子能量和半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)相近時(shí)的載流子以隧道越過(guò)勢(shì)壘區(qū)，稱(chēng)為場(chǎng)發(fā)射。

另一種是載流子在 4H-SiC 半導(dǎo)體導(dǎo)帶的底部隧道穿過(guò)勢(shì)壘區(qū)較難，而且也不用穿過(guò)勢(shì)壘，載流子獲得較大的能量時(shí)，載流子碰見(jiàn)一個(gè)相對(duì)較薄且能量較小的勢(shì)壘時(shí)，載流子的隧道越過(guò)勢(shì)壘的幾率快速增加，這稱(chēng)為熱電子場(chǎng)發(fā)射。

基于此，肖特基幾乎沒(méi)有反向恢復(fù)過(guò)程，所以反向恢復(fù)速度極快。

SiC SBD 動(dòng)態(tài)特性更接近理想二極管外，靜態(tài)特性與硅二極管也有明顯不同。

這分別是硅二極管與碳化硅肖特基二極管靜態(tài)特性：

硅二極管有每升高1C，VFM 大體下降 2～3mV 規(guī)律，也就是二極管是正電阻特性的負(fù)溫度 VF 元件，二折線(xiàn)動(dòng)態(tài)電阻基本不隨溫度漂移。

這樣，硅二極管隨溫度上升，靜態(tài)壓降損耗下降，開(kāi)關(guān)損耗上升黑碳化硅，適合低頻整流等場(chǎng)合。

SiC SBD 起始導(dǎo)通壓降，也有隨溫度下降的特性，但二折線(xiàn)的動(dòng)態(tài)電阻隨溫度上升而增加。即對(duì)于這款 SiC SBD，在額定電流 50％ 左右有近乎 “0” 溫漂 VF 區(qū)間。在這個(gè)區(qū)間下，為負(fù)溫度壓降區(qū)；區(qū)間以上，為正溫度壓降區(qū)。

SiC SBD 靜態(tài)損耗，有高溫高效區(qū)、低溫變區(qū)、正溫度 VF 區(qū)三個(gè)部分。由于開(kāi)關(guān)損耗幾乎為零，SiC SBD 很容易按工程需要選擇不同工作趨于。

比如：

? 利用高效區(qū)，可以實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境下更低溫升工作；

?電源可以在高溫下輸出不打折或減免散熱器提高效率；

?零溫漂區(qū)域，二極管溫升隨環(huán)境基本不變；

?正溫度區(qū)域，特別適合大功率并聯(lián)使用。

物如其性。

作為莫氏硬度 7 的硅，二極管 V-I 曲線(xiàn)如微風(fēng)拂草般飄逸，二折線(xiàn)等效電阻更是從中而過(guò)的中間線(xiàn)。

而莫氏硬度高達(dá) 9.5 的碳化硅，肖特基二極管 V-I 線(xiàn)如鋼直爽，二折等效電阻幾乎完全嚙合。

這種特性也為各自計(jì)算通態(tài)損耗方法有了明顯區(qū)別。

硅快恢復(fù)二極管與碳化硅 SBD 對(duì)比：

論是高溫還是室溫，SiC SBD 都顯示出無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。不僅噪音幅值遠(yuǎn)低，且頻譜也更趨集中于中心頻帶。

不同電流及溫度，并未帶來(lái)反向恢復(fù)電荷的增加，這與硅二極管有本質(zhì)的區(qū)別。從另一側(cè)面，從波形可以看出，頻率不太高時(shí)，基本不用考慮因電流及頻率而導(dǎo)致的開(kāi)關(guān)損耗。

實(shí)際上，SiC SBD開(kāi)關(guān)損耗，可以看作理想二極管上并聯(lián)的理想小電容。即便結(jié)溫達(dá)到150℃，也仍然保持這種特性。而這種電容充放電 (開(kāi)關(guān)) 基本并不會(huì)引起 SBD 自身發(fā)熱。

SiC FET 仍是由很多小 FET 并聯(lián)而成。每個(gè)小 FET 結(jié)構(gòu)示意如圖：

同為高壓應(yīng)用的硅 IGBT 和高壓 MOSFET，與此有明顯區(qū)別。

IGBT 與 HV MOSFET 結(jié)構(gòu)示意：

IGBT 和 MOSFET 的結(jié)構(gòu)非常相似：

? 正面采用多晶硅與漂移區(qū)形成金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，作為門(mén)極；

?漂移區(qū)普遍采用 N 型摻雜的半導(dǎo)體來(lái)承受阻斷電壓；

?門(mén)極施加正壓（高于器件閾值電壓）時(shí)，器件導(dǎo)通，通態(tài)電流在漂移區(qū)縱向流動(dòng)。

區(qū)別主要在于：

?IGBT 在漂移區(qū)背面有 P+ 注入作為集電極

? MOSFET 直接在 N 漂移區(qū)背面淀積金屬作為漏極。

IGBT 背面的 P+ 決定了它是雙極型器件。

?在器件導(dǎo)通時(shí)，發(fā)射極注入電子，而集電極注入空穴，兩種載流子均參與導(dǎo)電；

?在器件關(guān)斷時(shí)，多余的空穴只能在體內(nèi)進(jìn)行復(fù)合，從而造成拖尾電流，增加了關(guān)斷損耗，限制了開(kāi)關(guān)頻率的提高。

?在高溫下，拖尾電流更加明顯，造成更大的關(guān)斷損耗。

目前 IGBT 能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率均在 100kHz 以下。而 MOSFET 只依賴(lài)電子進(jìn)行導(dǎo)電，關(guān)斷時(shí)電子可以迅速被抽走，沒(méi)有拖尾電流，因而關(guān)斷損耗更小，且基本不隨溫度變化。

和最好的高速 IGBT 相比，SiC FET 開(kāi)關(guān)損耗有多低？看看兩者比較。

Q&A

為什么碳化硅有如此特性？

首先，碳化硅大約有硅材料八倍的耐壓強(qiáng)度。理論上，只需要 1/8 承壓長(zhǎng)度，就可以獲得與硅材料器件相同電壓規(guī)格的 FET。

對(duì)于 MOSFET 來(lái)講，溝道長(zhǎng)度/耐壓與 RDSON 是呈 3/2 次方關(guān)系。電壓規(guī)格越高，RDSON 會(huì)極速上升。這也是高壓 MOSFET RDSON 都比較大和電流規(guī)格比較低的原因。

而碳化硅品階更高的電子遷移率和短的導(dǎo)電溝道，意味著跑的快還跑道短的只有 1/8，大約只需 1/10 時(shí)間就能跑完全程。

SiC 還有非常優(yōu)秀的特制，能容忍兩倍 Si 材質(zhì)的空穴、電子參雜，所以本體電阻性壓降比例遠(yuǎn)低于 Si MOSFET。

當(dāng)然，世上沒(méi)有十全十美的事。SiC 在形成 MOS (金屬-氧化物-半導(dǎo)體) 結(jié)構(gòu)的時(shí)候，SiC-SiO2 界面電荷密度要遠(yuǎn)大于 Si-SiO2，這樣造成的后果就是 SiC 表面電子遷移率要遠(yuǎn)低于體遷移率，從而使溝道電阻遠(yuǎn)大于體電阻，成為器件通態(tài)比電阻大小的主要成分。

然而，表面電子遷移率在不同的晶面上有所區(qū)別。目前常見(jiàn)的 SiC MOSFET 有兩種結(jié)構(gòu)：長(zhǎng)通型和阻斷性。

最早的 SiC FET 就是長(zhǎng)通型，顧名思義，平時(shí)就是導(dǎo)通的……就是上電短路型。

這上電炸雞，咋能用哩？這也難不倒，再?gòu)?fù)合個(gè)管子，弄成復(fù)合結(jié)構(gòu)即可，而最早工業(yè)化的 SiC FET 就是這樣誕生的。

經(jīng)過(guò)若干年發(fā)展，這種 SiC FET 已被淘汰，僅有保留少量產(chǎn)品，滿(mǎn)足早先設(shè)計(jì)的產(chǎn)品和特殊場(chǎng)所。

另一個(gè)就是溝槽結(jié)構(gòu)了，就是上面示意的那種，也是現(xiàn)在的主流產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

所以，SiC FET 并沒(méi)有象 Si MOSFET 那么多結(jié)構(gòu)和種類(lèi)。

同是高壓應(yīng)用，SiC 和 IGBT 通態(tài)損耗有啥區(qū)別呢？

1200V High Speed3 IGBT (IGW40N120H3)與 CoolSiC? MOSFET (IMW120R045M1) 的輸出特性對(duì)比。

常溫下，兩個(gè)器件在 40A 電流下的導(dǎo)通壓降相同；

當(dāng)小于 40A 時(shí)，CoolSiC? MOSFET 顯示出近乎電阻性的特性，而 IGBT 則在輸出特性上有一個(gè)拐點(diǎn)，一般在 1V~2V，拐點(diǎn)之后電流隨電壓線(xiàn)性增長(zhǎng)；

當(dāng)負(fù)載電流為 15A 時(shí)，在常溫下，CoolSiC?的正向壓降只有 IGBT 的一半；

在 175℃ 結(jié)溫下，CoolSiC? MOSFET 的正向壓降約是 IGBT 的 80%；

在實(shí)際器件設(shè)計(jì)中，CoolSiC? MOSFET 比 IGBT 具有更低的導(dǎo)通損耗。

前面已經(jīng)比較了硅快恢復(fù)與碳化硅肖特基的特性。而作為碳化硅 MOSFET 的寄生二極管與它們有有多大差異呢？

用 1200V SiC FET 與 650V 最好的 SiC 肖特基對(duì)比看看！

CoolSiC? MOSFET 的本征二極管有著和 SiC 肖特基二極管類(lèi)似的快恢復(fù)特性。25℃時(shí)，它的 Qrr 和相同電流等級(jí)的 G5 SiC 二極管近乎相等。

然而，反向恢復(fù)時(shí)間及反向恢復(fù)電荷都會(huì)隨結(jié)溫的增加而增加。從圖4(a)中我們可以看出，當(dāng)結(jié)溫為 175℃ 時(shí)，CoolSiC? MOSFET 的 Qrr 略高于 G5 肖特基二極管。圖4(b)比較了 650V 41mΩ Si MOSFET 本征二極管和 CoolSiC? MOSFET 本征二極管的性能。

在常溫及高溫下，1200V CoolSiC? MOSFET 體二極管僅有 Si MOSFET 體二極管 Qrr 的10%。

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