SiC是什么？SiC-MOS管與Si-MOS管的區(qū)別-KIA MOS管

SiC簡(jiǎn)介

SiC--碳化硅，是比較新的半導(dǎo)體材料。先來(lái)了解一下它的物理特性和特征。

SiC的物理特性和特征

SiC是由硅(Si)和碳(C)組成的化合物半導(dǎo)體材料。其結(jié)合力非常強(qiáng)，在熱、化學(xué)、機(jī)械方面都非常穩(wěn)定。SiC存在各種多型體（多晶型體），它們的物理特性值各有不同。4H-SiC最適用于功率元器件。

下表為Si和近幾年經(jīng)常聽(tīng)到的半導(dǎo)體材料的比較。

表中黃色高亮部分是Si與SiC的比較。藍(lán)色部分是用于功率元器件時(shí)的重要參數(shù)。如數(shù)值所示，SiC的這些參數(shù)頗具優(yōu)勢(shì)。

另外，與其他新材料不同，它的一大特征是元器件制造所需的p型、n型控制范圍很廣，這點(diǎn)與Si相同。基于這些優(yōu)勢(shì)，SiC作為超越Si限制的功率元器件用材料備受期待。

Si和C是1對(duì)1的比例結(jié)合的Ⅳ-Ⅳ族化合物半導(dǎo)體

以Si和C的原子對(duì)為單元層的最密堆積構(gòu)造

存在各種多型體，且4H-SiC最適用于功率元器件

結(jié)合力非常強(qiáng) → 熱、化學(xué)、機(jī)械方面穩(wěn)定

熱穩(wěn)定性 ：常壓狀態(tài)下無(wú)液層，2000℃升華

機(jī)械穩(wěn)定性：莫氏硬度（9.3），可以媲美鉆石（10）

化學(xué)穩(wěn)定性 ：對(duì)大部分酸和堿具有惰性

SiC功率元器件的特征

SiC比Si的絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)高約10倍，可耐600V～數(shù)千V的高壓。此時(shí)，與Si元器件相比,可提高雜質(zhì)濃度，且可使膜厚的漂移層變薄。高耐壓功率元器件的電阻成分大多是漂移層的電阻，阻值與漂移層的厚度成比例增加。

因?yàn)镾iC的漂移層可以變薄，所以可制作單位面積的導(dǎo)通電阻非常低的高耐壓元器件。理論上,只要耐壓相同，與Si相比,SiC的單位面積漂移層電阻可低至1/300。

Si 功率元器件為改善高耐壓化產(chǎn)生的導(dǎo)通電阻増大問(wèn)題，主要使用IGBT（絕緣柵極雙極晶體管）等少數(shù)載流子元器件（雙極元器件）。但因?yàn)殚_(kāi)關(guān)損耗大而具有發(fā)熱問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高頻驅(qū)動(dòng)存在界限。

由于SiC能使肖特基勢(shì)壘二極管和MOSFET等高速多數(shù)載流子元器件的耐壓更高，因此能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn) “高耐壓”、“低導(dǎo)通電阻”、“高速”。

此時(shí)，帶隙是Si的約3倍，能夠在更高溫度下工作。現(xiàn)在，受封裝耐熱性的制約可保證150℃～175℃的工作溫度，但隨著封裝技術(shù)的發(fā)展將能達(dá)到200℃以上。

SiC-MOS管的驅(qū)動(dòng)與Si-MOS管的比較中應(yīng)該注意的兩個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)。

與Si-MOSFET的區(qū)別：驅(qū)動(dòng)電壓

SiC-MOSFET與Si-MOSFET相比，由于漂移層電阻低，通道電阻高，因此具有驅(qū)動(dòng)電壓即柵極－源極間電壓Vgs越高導(dǎo)通電阻越低的特性。下圖表示SiC-MOSFET的導(dǎo)通電阻與Vgs的關(guān)系。

導(dǎo)通電阻從Vgs為20V左右開(kāi)始變化（下降）逐漸減少，接近最小值。一般的IGBT和Si-MOSFET的驅(qū)動(dòng)電壓為Vgs=10～15V，而SiC-MOSFET建議在Vgs=18V前后驅(qū)動(dòng)，以充分獲得低導(dǎo)通電阻。

也就是說(shuō)，兩者的區(qū)別之一是驅(qū)動(dòng)電壓要比Si-MOSFET高。與Si-MOSFET進(jìn)行替換時(shí)，還需要探討柵極驅(qū)動(dòng)器電路。

與Si-MOSFET的區(qū)別：內(nèi)部柵極電阻

SiC-MOSFET元件本身（芯片）的內(nèi)部柵極電阻Rg依賴于柵電極材料的薄層電阻和芯片尺寸。如果是相同設(shè)計(jì)，則與芯片尺寸成反比，芯片越小柵極電阻越高。

同等能力下，SiC-MOSFET的芯片尺寸比Si元器件的小，因此柵極電容小，但內(nèi)部柵極電阻增大。例如，1200V 80mΩ產(chǎn)品（S2301為裸芯片產(chǎn)品）的內(nèi)部柵極電阻約為6.3Ω。

這不僅局限于SiC-MOSFET，MOSFET的開(kāi)關(guān)時(shí)間依賴于外置柵極電阻和上面介紹的內(nèi)部柵極電阻合在一起的綜合柵極電阻值。

SiC-MOSFET的內(nèi)部柵極電阻比Si-MOSFET大，因此要想實(shí)現(xiàn)高速開(kāi)關(guān)，需要使外置柵極電阻盡量小，小到幾Ω左右。

但是，外置柵極電阻還承擔(dān)著對(duì)抗施加于柵極的浪涌的任務(wù)，因此必須注意與浪涌保護(hù)之間的良好平衡。

關(guān)鍵要點(diǎn):

為使SiC-MOSFET獲得低導(dǎo)通電阻，Vgs需要在18V前后，要比Si-MOSFET高。

SiC-MOSFET的內(nèi)部柵極電阻比Si-MOSFET大，因此外置Rg較小，但需要權(quán)衡浪涌保護(hù)。

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