第一代半導體主要有硅和鍺，由于硅的自然儲量大、制備工藝簡單，硅成為制造半導體產品的主要原材料，廣泛應用于集成電路等低壓、低頻、低功率場景。但是，第一代半導體材料難以滿足高功率及高頻器件需求。
砷化鎵是第二代半導體材料的代表，較高的電子遷移率使其應用于光電子和微電子領域，是制作半導體發(fā)光二極管和通信器件的核心材料。但砷化鎵材料的禁帶寬度較小、擊穿電場低且具有毒性，無法在高溫、高頻、高功率器件領域推廣。
第三代半導體材料以碳化硅、氮化鎵為代表，與前兩代半導體材料相比最大的優(yōu)勢是較寬的禁帶寬度，保證了其可擊穿更高的電場強度，適合制備耐高壓、高頻的功率器件，是電動汽車、5G 基站、衛(wèi)星等新興領域的理想材料。
碳化硅是第三代半導體產業(yè)發(fā)展的重要基礎材料，碳化硅功率器件以其優(yōu)異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，能夠有效滿足電力電子系統(tǒng)的高效率、小型化和輕量化要求。
碳化硅MOSFET具有高頻高效，高耐壓，高可靠性?？梢詫崿F(xiàn)節(jié)能降耗，小體積，低重量，高功率密度等特性，在新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)等領域具有明顯優(yōu)勢。
一. 碳化硅MOSFET常見封裝TO247
碳化硅MOSFET是一種基于碳化硅半導體材料的場效應晶體管。它的工作原理類似于傳統(tǒng)的金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。主要由以下三個部分組成：
柵極(Gate)： 柵極是用于控制MOSFET導通的部分。當施加正電壓時，柵極與通道之間形成電場，控制通道的導電性。
源極(Source)和漏極(Drain)： 源極和漏極分別是MOSFET的輸入和輸出端。通過控制柵極電壓，調節(jié)源極和漏極之間的電流流動。
通道(Channel)： 通道是源極和漏極之間的導電路徑。在碳化硅MOSFET中，通道由碳化硅材料構成，具有較高的載流子遷移率和耐壓能力。
碳化硅MOSFET的工作原理可以簡述如下：當柵極施加正電壓時，形成電場，使得通道中的載流子(電子或空穴)移動，導致源極和漏極之間形成導電路徑。通過調節(jié)柵極電壓，可以控制通道中的載流子濃度，從而控制MOSFET的導通程度。
二. 碳化硅MOSFET分平面結構和溝槽結構
三.相對應于硅基MOSFET以及IGBT，碳化硅MOSFTE有以下優(yōu)點：
01
╱ 高工作頻率 ╱
傳統(tǒng)MOSFET工作頻率在60KHZ左右，而碳化硅MOSFET在1MHZ，甚至更高
用途：高頻工作，可以減小電源系統(tǒng)中電容以及電感或變壓器的體積，降低電源成本，讓電源實現(xiàn)小型化，美觀化。從而實現(xiàn)電源的升級換代。
02
╱ 低導通阻抗 ╱
碳化硅MOSFET單管最小內阻可以達到幾個毫歐，這對于傳統(tǒng)的MOSFET看來是不可想象的。市場量產碳化硅MOSFET最低內阻在16毫歐。
用途：輕松達到能效要求，減少散熱片使用，降低電源體積和重量，電源溫度更低，可靠性更高。
03
╱ 耐壓高 ╱
碳化硅MOSFET目前量產的耐壓可達3300V，最高耐壓6500V,一般硅基MOSFET和IGBT常見耐壓耐壓900V-1200V。
04
╱ 耐高溫 ╱
碳化硅MOSFET芯片結溫可達300度，可靠性，穩(wěn)定性大大高于硅基MOSFET，
綜上所述：使用碳化硅MOSFET可以讓電源實現(xiàn)高效率，小體積，在一些高溫，高壓環(huán)境，在一定優(yōu)勢。
四.碳化硅MOSFET的綜合特性
SiC器件的結構和特征
SiC器件漂移層的阻抗比Si器件低，不需要進行電導率調制就能夠以高頻器件結構的MOSFET實現(xiàn)高耐壓和低阻抗。而且MOSFET原理上不產生尾電流，所以用SiC MOSFET替代IGBT時，能夠明顯地減少開關損耗，并且實現(xiàn)散熱部件的小型化。另外，SiC MOSFET能夠在IGBT不能工作的高頻條件下驅動，從而也可以實現(xiàn)被動器件的小型化。與600V～1200V的Si MOSFET相比，SiC MOSFET的優(yōu)勢在于芯片面積小(可以實現(xiàn)小型封裝)，而且體二極管的恢復損耗非常小。
SiC Mosfet的導通電阻
SiC 的絕緣擊穿場強是Si 的10倍，所以能夠以低阻抗、薄厚度的漂移層實現(xiàn)高耐壓。因此，在相同的耐壓值的情況下，SiC 可以得到標準化導通電阻(單位面積導通電阻)更低的器件。例如900V時，SiC‐MOSFET 的芯片尺寸只需要Si‐MOSFET 的35分之1、SJ‐MOSFET 的10分之1，就可以實現(xiàn)相同的導通電阻。不僅能夠以小封裝實現(xiàn)低導通電阻，而且能夠使門極電荷量Qg、結電容也變小。目前SiC 器件能夠以很低的導通電阻輕松實現(xiàn)1700V以上的耐壓。因此，沒有必要再采用IGBT這種雙極型器件結構(導通電阻變低，則開關速度變慢) ，就可以實現(xiàn)低導通電阻、高耐壓、快速開關等各優(yōu)點兼?zhèn)涞钠骷?
3Vd-Id特性
SiC‐MOSFET 與IGBT 不同，不存在開啟電壓，所以從小電流到大電流的寬電流范圍內都能夠實現(xiàn)低導通損耗。而Si MOSFET 在150℃時導通電阻上升為室溫條件下的2 倍以上，與Si MOSFET 不同，SiC MOSFET的上升率比較低，因此易于熱設計，且高溫下的導通電阻也很低。
驅動門極電壓和導通電阻
SiC‐MOSFET 的漂移層阻抗比Si MOSFET 低，但是另一方面，按照現(xiàn)在的技術水平，SiC MOSFET的MOS 溝道部分的遷移率比較低，所以溝道部的阻抗比Si 器件要高。因此，越高的門極電壓，可以得到越低的導通電阻(Vgs=20V 以上則逐漸飽和)。如果使用一般IGBT 和Si MOSFET 使用的驅動電壓Vgs=10～15V 的話，不能發(fā)揮出SiC 本來的低導通電阻的性能，所以為了得到充分的低導通電阻，推薦使用Vgs=18V左右進行驅動。負壓建議-3左右?，F(xiàn)推出低導通內阻的碳化硅MOSFET，Vgs=15V進行驅動，后續(xù)推出Vgs=12V進行驅動碳化硅MOSFET,讓驅動電壓和硅基器件一至。
Vg-Id特性
SiC MOSFET 的閾值電壓在數(shù)mA 的情況下定義的話，與Si‐MOSFET 相當，室溫下大約3V(常閉)。但是，如果流通幾個安培電流的話，需要的門極電壓在室溫下約為8V 以上，所以可以認為針對誤觸發(fā)的耐性與IGBT 相當。溫度越高，閾值電壓越低。
汽車原始設備制造商對電力電子系統(tǒng)的要求對此類系統(tǒng)的開發(fā)人員來說是一個巨大的挑戰(zhàn)。特別是空間要求、重量和效率起著重要作用。此外，整個系統(tǒng)的成本和產品設計階段的工作量要保持在較低水平，同時還必須保證產品質量和操作安全。
傳統(tǒng)電力電子器件的效率基于硅半導體技術，通常在85%至95%之間變化。這意味著在每次功率轉換期間，大約10%的電能會以熱量的形式損失。一般來說，可以說電力電子的效率主要受到功率半導體性能特點的限制。由于其物理特性，半導體材料SiC具有滿足這些市場趨勢要求的巨大潛力。
與硅半導體器件相比，SiC的電場強度高出近十倍(2.8MV/cm對0.3MV/cm)。這種非常堅硬的SiC基板具有更高的電場強度，因此可以將更薄的層結構(即所謂的外延層)施加到SiC襯底上。這相當于硅外延層層厚度的十分之一。在相同的阻斷電壓下，SiC的摻雜濃度可以達到比Si對應物高兩個數(shù)量級。因此，組件的表面電阻(RonA)降低，從而大大降低了直通損耗。
下載文檔
