解密罗姆/意法半导体/英飞凌/科锐 为何发力SiC功率元器件？（转）

解密罗姆/意法半导体/英飞凌/科锐

为何发力SiC功率元器件？

炙手可热的SiC功率元器件究竟是何方神圣？为何世界巨头公司罗姆、意法半导体、英飞凌、科锐纷纷发力于它？如今电子世界风云变幻，这或许是一场改变战局的机会？

第三代半导体材料以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表，因其禁带宽度(Band gap) Eg≥3.0电子伏特（eV），又被称为宽禁带半导体材料。除了碳化硅(SiC) 、氮化镓( GaN)，氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)也是宽禁带半导体材料。而从目前第三代半导体材料和器件的研究来看，最成熟的是SiC半导体材料，其次是GaN，氧化锌、金刚石、氮化铝等材料的研究尚属起步阶段。本篇文章让我们一起了解功率元器件中的“大圣”——SiC功率元器件。

“大圣”的七十二地煞术

SiC材料与Si的特性对比

1、坐火——耐高温

由于半导体材料的禁带宽度决定器件的工作温度，禁带宽度越大，器件的工作温度越高。因此，普通Si只能达到150℃~200℃，SiC器件的工作温度可以高达600℃，并具有极好的抗辐射性能。一些要求在350~500℃下工作的高温集成电路，比如，航空设备(涡轮发动机、飞行器的电气自动化)、核能仪器、卫星、空间探测器、地热井等场景下，SiC器件都能得到广泛的应用。

SiC材料比Si材料热导率高近3倍。SiC材料制作的集成电路可以减小甚至不用散热系统，可以有效的减轻体积和重量，大大提高系统集成度。并能在高温和高辐射的环境中改善系统的稳定性和可靠性。这正符合航空二次电源对体积、重量、可靠性等方面的高标准要求。

2、担山——耐高压

SiC的击穿场强高，SiC的击穿电场约为2.8MV/cm，这个值大约是Si材料（0.3MV/cm）的10倍。这使得SiC功率半导体器件的最高工作电压比同类的Si器件高得多，如Si肖特基二极管最高阻断电压在一两百伏，而SiC肖特基二极管的阻断电压最高已经达到1700V。因此，SiC的高击穿场强特性使其更容易实现航空系统中对功率半导体器件的耐高压的要求，譬如可以用SiC制作击穿电压很高的PIN二极管和IGBT。

3、神行——更高频高效

SiC材料的最大电子饱和速度是Si材料的2倍，有更高的电流密度和更快的开关速度，适合于高频和大功率应用。

功率半导体器件的比导通电阻跟材料击穿电场的立方成反比，SiC具有比Si材料高一个数量级的击穿电场，因此SiC器件有更小的比导通电阻。在相同击穿电压下，SiC器件的比导通电阻理论值只有Si器件的百分之一。低的比导通电阻会减小损耗，带来系统效率的提高。在相同电压和芯片尺寸下，SiC器件可以降低90%的电阻，产生更少的散热。

4、壶天——更小尺寸

关于SiC器件的“低阻值”可以单纯解释为减少损耗，但阻值相同的话就可以缩小元件（芯片）的面积。应对大功率时，有时会使用将多个晶体管和二极管一体化的功率模块。例如，SiC功率模块的尺寸可达到仅为Si的1/10左右。关于“高速工作”，通过提高开关频率，变压器、线圈、电容器等周边元件的体积可以更小。实际上有能做到原有1/10左右的例子。关于“高温工作”是指容许在更高温度下的工作，可以简化散热器等冷却机构。

所以说，基于SiC功率器件阻断电压高、工作频率高、耐高温工作能力强，同时又具有开关损耗小和比导通电阻低等优势，采用其可以大大降低装置的功耗、缩小装置的体积。