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碳化硅是由硅和碳組成的半導體化合物，屬于寬帶隙(WBG)材料家族。它的物理結合非常牢固，使半導體具有很高的機械、化學和熱穩(wěn)定性。寬帶隙和高熱穩(wěn)定性允許SiC要在高于硅的結溫(甚至超過200℃)下使用的器件。碳化硅在功率應用中提供的主要優(yōu)勢是其低漂移區(qū)電阻，這是高壓功率器件的一個關鍵因素。SiC基功率器件得益于優(yōu)異的物理和電子特性的結合，正在推動電力電子的徹底變革。雖然這種材料很久以前就為人所知，但它作為半導體的應用相對較新，這在很大程度上是由于可以獲得大而高質量的晶片。近幾十年來，人們的努力集中在開發(fā)特定和獨特的高溫晶體生長工藝上。雖然碳化硅具有不同的多晶型晶體結構(也稱為多型)，但4H-碳化硅多型六方晶體結構最適合高功率應用。六英寸碳化硅晶片如圖1所示。
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圖1: 6英寸SiC晶圓
1.SiC的主要性能有哪些？
硅和碳的結合使這種材料具有優(yōu)異的機械、化學和熱性能，包括:
·高導熱性
·低熱膨脹和優(yōu)異的抗熱震性
·低功耗和開關損耗
·高能效
·高工作頻率和溫度(工作溫度高達200°C結)
·小管芯尺寸(具有相同的擊穿電壓)
·本征體二極管
·出色的熱管理降低了冷卻要求
·長壽命
2.SiC在電子領域有哪些應用？
碳化硅是一種非常適合電力應用的半導體，這首先要歸功于其承受高電壓的能力，比可與硅一起使用的高10倍。基于碳化硅的半導體具有更高的熱導率、更高的電子遷移率和更低的功率損耗。碳化硅二極管和晶體管也可以在更高的頻率和溫度下工作，而不會影響可靠性。碳化硅器件的主要應用，如肖特基二極管和場效應晶體管，包括轉換器、逆變器、電源、電池充電器和電機控制系統(tǒng)。
3.為什么碳化硅在電力應用中能克服硅？
盡管硅是電子產品中使用最廣泛的半導體，但它開始顯示出一些局限性，尤其是在高功率應用中。這些應用中的一個相關因素是半導體提供的帶隙或能隙。當帶隙較高時，它使用的電子器件可以更小、運行更快、更可靠。它還可以在比其他半導體更高的溫度、電壓和頻率下工作。硅的帶隙約為1.12電子伏，而碳化硅的帶隙約為3.26電子伏，是前者的近三倍
4.為什么SiC能承受這么高的電壓？
功率器件，尤其是MOSFETs，必須能夠處理極高的電壓。由于電場的介電擊穿強度大約比硅高十倍，碳化硅可以達到非常高的擊穿電壓，從600伏到幾千伏。碳化硅可以使用比硅更高的摻雜濃度，漂移層可以做得非常薄。漂移層越薄，其電阻越低。理論上，給定高電壓，單位面積漂移層的電阻可以降低到硅的1/300。
5.為什么SiC能在高頻下跑贏IGBT？?略
6.哪些雜質用于摻雜SiC材料？略
7.SiC如何實現(xiàn)比硅更好的熱管理？
另一個重要的參數(shù)是導熱率，這是一個衡量半導體如何散熱的指標。如果半導體不能有效散熱，就會對器件能夠承受的最大工作電壓和溫度造成限制。這是碳化硅優(yōu)于硅的另一個領域:碳化硅的熱導率為1490瓦/米-克，而硅的熱導率為150瓦/米-克。
8.SiC反向恢復時間與Si-MOSFET相比如何？
碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管和硅場效應晶體管一樣，有一個內部體二極管。體二極管提供的主要限制之一是不希望的反向恢復行為，當二極管在攜帶正向電流時關斷時會發(fā)生這種行為。因此，反向恢復時間(trr)成為定義MOSFET特性的重要指標。圖2顯示了1000伏硅基金屬氧化物半導體場效應晶體管和碳化硅基金屬氧化物半導體場效應晶體管的導通電阻的比較。可以看出，SiC MOSFET的體二極管速度極快:trr和Irr的值非常小，可以忽略不計，能量損耗Err大大降低。
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圖2:反向恢復時間比較
9.為什么軟關斷對短路保護很重要？?略
10.為什么隔離柵極驅動器是更好的選擇？
許多電子設備既是低壓電路又是高壓電路，它們相互連接以執(zhí)行控制和供電功能。例如，牽引逆變器通常包括低壓初級側(電源、通信和控制電路)和次級側(高壓電路、電機、功率級和輔助電路)。位于初級側的控制器通常使用來自高壓側的反饋信號，如果沒有隔離柵，則容易受到可能的損壞。隔離柵將電路從初級側電隔離到次級側，形成單獨的接地參考，實現(xiàn)所謂的電流隔離。這可以防止不需要的交流或DC信號從一側傳輸?shù)搅硪粋?，從而損壞電源組件。
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