SiC | 器件特点

功率半导体器件作为功率变换系统的核心器件，目前应用最多的仍旧是IGBT，在很多时候还需要搭配合适的反向并联二极管。任何情况下，功率器件都是在"导通"和"截止"两个状态之间切换，类似于集成电路中的逻辑器件，通过切换来达到电力转换的需求，切换频率一般在1kHz~100kHz的范围内。

在功率转换系统中，比如说逆变电路，我们都希望开关器件的导通和截止状态下都是理想的，即导通状态下电压为零；在截止状态下，漏电流为零(击穿电压无限大)。这显然是不可能的，实际的器件表现出有限的电阻和有限的漏电流(以及击穿电压存在最大值的限制)，这也是导通损耗和关断损耗的主要原因。另外，在开关的过程中的瞬态行为都会存在开关损耗。

下图是开关器件以及二极管的理想状态和实际状态的对比图：

现实与理想的差异，对于功率器件的主要要求包括：

✦低导通电压(低导通电阻)

✦低漏电流

✦能够以最小的电流/电压进行快速切换

这些与导通损耗、关断损耗和开关损耗有着直接的关系。除此之外，

✦较大的安全工作区域(鲁棒性)和可靠性也是极为重要！

而在这些方面，SiC表现出了巨大的发展潜力。

下图是相同击穿电压下SiC和Si的单侧突变结中的电场分布：

可见，SiC的击穿电场强度是Si的10倍左右，所以SiC功率器件中的电压阻挡层的厚度可以是Si器件中的1/10。并且其掺杂浓度也可以高出两个数量级，因此在任何给定的阻断电压下，SiC代替Si的单极器件中可以将漂移层的电阻降低2~3个数量级。

这一特点对于高压场合显得尤为重要，漂移层电阻Rdrift与阻断电压VB的(2~2.5,这个系数需要综合考虑来确定)成比例，并且也是觉得器件总导通电阻Ron的主要因素。

没有内置电压的功率器件的导通损耗Pon，由Ron*J²on决定，其中Jon是导通电流密度(在额定电流下一般为100~300A/cm²)。因此，SiC器件极低的抗漂移性有助于降低导通损耗。

下图是Si和SiC单极器件的最小导通电阻(漂移层电阻)相对于阻断电压的曲线：

最小导通电阻我们可以由下式得出：

Rdrift=4VB²/(ηεμEB³)

其中，ε、μ和EB分别是介电常数、迁移率和击穿场强；η是室温下掺杂剂的电离率(“2次方”是上文提到的系数)。

在轻掺杂的n型SiC中，由于氮供体相对较浅，η约为0.85~1.0。这对于宽带隙半导体尤为重要，在宽带隙半导体中经常会观察到掺杂剂的不完全电离，实际上，由于室温下铝受体的空穴迁移率较低并且离子化率小，所以p型SiC肖特基二极管和功率MOS无法与Si基竞争。

SiC功率器件的另一个重要特点就是快速切换，反向恢复小，能够满足更高的频率。中高压应用中，Si基的双极型器件通过少数载流子的注入，电导率调制能够显著的降低导通电阻。但是，双极型器件存在少数载流子存储的原因，导致开关速度较慢以及关断操作中的反向恢复大。而，这些应用中，SiC单极器件由于导通电阻很低并且不存在少数载流子存储，可以成为较理想的选择。SiC双极型器件也可以提供快速切换，因为电压阻挡区的厚度薄了约10倍(上面提到过)，与Si的双极型器件相比，该区域中存储的电荷相应地小了约10倍。

由于带隙宽和化学稳定性，使用SiC器件的设备可以在高温(＞250℃)下运行，这一点在当下的应用中无疑十分吸引人，更高的温度上限可以优化散热装置，而SiC器件本身甚至可以在500℃或更高的温度下运行。

而封装技术是SiC功率器件发展的另一个重要问题。

比如，由于掺杂剂在SiC中极小的扩散常数，通过扩散工艺进行杂质掺杂很难实现，所以一般通过外延生长或者离子注入来进行掺杂；

在SiC中，即使在高温活化退火之后，高密度的深能级和扩展的缺陷仍保留在离子注入区以及注入尾部内，这导致注入结附近的载流子寿命很短(＜0.1us)，这不利于双极型器件，所以有效的载流子注入和扩散是必不可少的。

所以，SiC双极型器件中的pn结仅通过外延生长来制造，但是对于制造SBD和MOSFET之类的SiC单极器件，由于其通过注入结可以获得几乎理想的击穿特性，并且单极器件的正常工作中并不涉及载流子注入，所以离子注入比较有用。

(掺杂等可以查看之前的推送)

下图是Si基和SiC基的单极/双极型功率器件的电压等级分布：

对于Si基功率器件，单极和双极器件的分界线在300~600V，而在SiC功率器件中，这个边界向后移动了大约10倍的阻断电压，即几kV。预计SiC将在300V~6500V的阻断电压范围内替代Si的双极型器件，并且SiC的双极型器件在10kV以上的超高压应用中也是"魅"不可挡。