電力電子新技術(shù)的發(fā)展已將工業(yè)市場引向其他資源以優(yōu)化能源效率。硅和鍺是當(dāng)今用于生產(chǎn)半導(dǎo)體的兩種主要材料。損耗和開關(guān)速度方面的有限發(fā)展已將技術(shù)引向新的寬帶隙資源，例如碳化硅 (SiC)。
SiC提供比硅更高的效率水平，這主要是由于顯著降低的能量損失和反向充電。這導(dǎo)致在開啟和關(guān)閉階段需要更多的開關(guān)功率和更少的能量。較低的熱損失還可以移除冷卻系統(tǒng)，從而減少空間、重量和基礎(chǔ)設(shè)施成本。隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能應(yīng)用的部署不斷增加以及向云端的遷移，提高能源密集型 IT 基礎(chǔ)設(shè)施管理效率將變得越來越重要。
碳化硅具有比純硅更寬的帶寬，這使得該技術(shù)甚至可以在高工作溫度下使用。
寬帶隙參數(shù)
寬帶隙半導(dǎo)體的帶隙比硅或砷化鎵 (GaAs) 等普通半導(dǎo)體寬得多。這自然會轉(zhuǎn)化為更大的擊穿電場，并轉(zhuǎn)化為在高溫下工作并降低輻射敏感性而不損失電氣特性的可能性。
隨著溫度的升高，價帶中電子的熱能也隨之增加，直到它們達到躍遷到導(dǎo)帶所必需的能量(在一定溫度下)。對于硅，該溫度約為 150°C;然而，對于 WBG 半導(dǎo)體，這些值要高得多。
高電擊穿場提供更高的擊穿電壓。該電壓是擊穿體二極管斷開時的值，并且不斷增加的電流在源極和漏極之間流動。PN結(jié)二極管的擊穿電壓與擊穿電場成正比，與材料濃度成反比。
高電場為低得多的漂移區(qū)域提供了出色的摻雜和電阻水平。在相同的擊穿電壓下，漂移區(qū)的寬度與擊穿電場成反比。
另一個重要參數(shù)是漂移區(qū)的導(dǎo)通電阻。分析前面的 PN 結(jié)二極管示例，我們可以看到導(dǎo)通電阻與單極元件的擊穿電場成反比。
較薄的半導(dǎo)體層涉及較低密度的少數(shù)載流子，這是定義反向恢復(fù)電流的重要參數(shù)。事實上，在其他特性相同的情況下，設(shè)計用于支持更高電流的更大裸片的組件將具有更大的電荷，這些電荷會經(jīng)歷導(dǎo)通和阻斷之間的瞬變，因此將具有更大的反向恢復(fù)電流。半導(dǎo)體切換到高頻的能力與其飽和漂移速度成正比：碳化硅和氮化鎵的漂移速度是硅的兩倍。結(jié)果，后者可以安全地以更高的頻率運行。此外，更高的飽和漂移率相當(dāng)于更快地去除電荷;這導(dǎo)致更短的恢復(fù)時間和更低的反向恢復(fù)電流。
在高溫和更寬的帶隙下工作的可能性也取決于材料的熱導(dǎo)率。有幾種評估熱阻的方法：您可以分析結(jié)與外殼之間的熱阻或結(jié)與環(huán)境之間的熱阻。
當(dāng)未連接外部散熱器時，結(jié)與環(huán)境之間的熱阻是一個有用的參數(shù)，例如在您想要比較不同封裝的熱性能的情況下。
可以使用品質(zhì)因數(shù)以與導(dǎo)通電阻和柵極輸入電荷之間的乘積成正比的方式比較材料。這些參數(shù)分別決定了傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗，并且相互關(guān)聯(lián);通常，較低電荷值的元件將具有稍高的導(dǎo)通電阻。
碳化硅二極管
碳化硅二極管多為肖特基二極管。經(jīng)典硅二極管基于 PN 結(jié)。在肖特基二極管中，金屬被 p 型半導(dǎo)體取代，形成金屬-半導(dǎo)體 (ms) 結(jié)或肖特基勢壘。這提供了低傳導(dǎo)壓降、高開關(guān)速度和低噪聲。肖特基二極管用于控制電路內(nèi)電流的方向，使其僅從陽極流向陰極。當(dāng)肖特基二極管處于無偏置狀態(tài)時，自由電子將從 n 型半導(dǎo)體移動到形成勢壘的金屬。在正向偏置狀態(tài)下，如果電壓大于 0.2 V，電子可以穿過勢壘。
碳化硅二極管的漏電流遠低于普通二極管。作為 WBG 半導(dǎo)體，碳化硅具有低得多的漏電流并且可以比硅高得多的摻雜。此外，由于碳化硅的帶隙較寬，SiC二極管的正向電壓高于硅二極管。
在對 System Plus Consulting 的電力電子和化合物半導(dǎo)體團隊成員 Amine Allouche 的采訪中，我們強調(diào)了 SiC 二極管的一些特性。
與普通的 PiN 二極管不同，肖特基二極管沒有恢復(fù)電流，因為它們是具有多數(shù)電荷載流子的單極元件。然而，它們確實表現(xiàn)出一些由封裝和電路的寄生能力和電感引起的恢復(fù)效應(yīng)。SiC 二極管的主要應(yīng)用是在電源電路中，尤其是在 CCM(連續(xù)導(dǎo)通模式)的 PFC(功率因數(shù)校正)電路中。碳化硅 (SiC) 賦予二極管更高的故障電壓和更高的電流容量，從而在工業(yè)充電中找到了空間。
“根據(jù) Yole Développement 的數(shù)據(jù)，2019 年功率 SiC 裸二極管裸片市場價值 1.6 億美元。這包括各種不同的細分市場，例如汽車、能源、工業(yè)……實際上，SiC 二極管主要用于中壓應(yīng)用(汽車, PV, 電機控制...) 到高壓應(yīng)用(智能電網(wǎng)...)。在汽車應(yīng)用中，SiC 器件，尤其是 SiC 二極管，目前被用于車載充電器 (OBC)，”Allouche 說。
與所有 SiC 芯片一樣，Allouche 強調(diào)，SiC 二極管面臨的主要挑戰(zhàn)可分為三個層面：
· 材料層面：SiC 晶圓的生產(chǎn)成本較高(例如與 Si 晶圓相比)。商業(yè)化的晶圓尺寸仍然有限(最大 6 英寸)，而硅晶圓目前正在過渡到 12 英寸。
制造可靠設(shè)備所需的高質(zhì)量晶圓的大批量供應(yīng)商數(shù)量有限。我們的報告強調(diào)了這一點，我們比較了 SiC 二極管制造商/銷售商的原始 SiC 晶圓成本：Infineon、Wolfspeed、Rohm、STMicroelectronics、ON Semiconductor、Microsemi 和 UnitedSiC。
· 器件級：器件可靠性在一些關(guān)鍵工藝步驟中具有挑戰(zhàn)性，例如 SiC 外延、SiC 摻雜(需要高溫)、SiC 蝕刻……與更成熟的硅技術(shù)相比，制造良率仍需要提高。
我們的報告詳細介紹了外延良率和晶圓前端制造良率對 SiC 二極管生產(chǎn)成本的影響。
· 系統(tǒng)級：封裝是 SiC 二極管的另一個挑戰(zhàn)。需要開發(fā)新的封裝解決方案以充分利用 SiC 技術(shù)優(yōu)勢。Yole 的報告詳細介紹了與市場上可用的 SiC 二極管相關(guān)的不同封裝方面，從封裝類型、芯片貼裝到引線鍵合。
SiC二極管可以組裝成分立封裝，在混合模塊中作為與硅基晶體管的反并聯(lián)二極管使用，或者在與SiC晶體管的全SiC模塊中作為反并聯(lián)二極管使用。
“例如，在我們的報告中，我們強調(diào)了制造商的芯片粘接選擇。在我們分析的 7 家制造商的 11 款 SiC 二極管中，我們觀察到 5 種類型的貼片。其中以錫基附著最為常見。然而，一位賣家使用了一種特定類型的高性能芯片貼裝，但這會損害制造成本，”Allouche 說
碳化硅的高導(dǎo)熱性允許更好的散熱，提供比硅更小的外形尺寸。這允許降低成本并具有更小的包裝。
碳化硅肖特基二極管的恢復(fù)時間和電恢復(fù)電荷較淺;重要且有趣的是，恢復(fù)時間和電流與溫度和電流瞬變無關(guān)，這與恢復(fù)時間和電流隨溫度顯著增加的硅二極管不同。
SiC 二極管是逆變器中的絕佳替代品：只需將它們用作與硅 IGBT 反并聯(lián)放置的二極管，就可以減少損耗。在典型的混合動力電動汽車 (HEV) 中，用碳化硅組件替代硅組件可將牽引效率提高 10% 以上。這導(dǎo)致散熱器體積減少到 1/3。
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