提高能源效率的碳化硅半导体

能源效率不断需要进一步优化：这促使工业市场寻求不同的资源。

现在的半导体主要用硅和锗生产。碳化硅 (SiC)已成为处理新型宽带隙时最重要的资源，这要归功于其具有更低损耗和更高开关速度的特性。

碳化硅提供比硅更高的效率水平，这主要是由于能量损失和反向充电显着降低。这导致在开启和关闭阶段需要更多的开关功率和更少的能量。较低的热损失还可以去除冷却系统，从而减少空间、重量和基础设施成本。随着物联网和人工智能应用的不断部署以及向云的迁移，提高能源密集型 IT 基础设施的管理效率将变得越来越重要。

碳化硅比纯硅具有更宽的带宽，这使得技术即使在高工作温度下也能使用。

宽带隙参数

宽带隙半导体的带隙比硅或砷化镓 (GaAs) 等常见半导体宽得多。这自然会转化为更大的击穿电场，并转化为在高温下工作和降低辐射敏感性而不损失电气特性的可能性。

随着温度的升高，价带中电子的热能也会增加，直到它们达到必要的能量（在一定温度下）才能跳到导带。在硅的情况下，该温度约为 150°C；然而，在 WBG 半导体的情况下，这些值要高得多。

高击穿电场提供更高的击穿电压。该电压是击穿体二极管被破坏时的值，并且不断增加的电流在源极和漏极之间流动。PN结二极管的击穿电压与击穿电场成正比，而与材料的浓度成反比。

高电场为低得多的漂移区域提供了极好的掺杂水平和电阻。在击穿电压相同的情况下，漂移区的宽度与击穿电场成反比。

另一个重要参数是漂移区的导通电阻。分析前面的 PN 结二极管示例，我们可以看到导通电阻与单极元件的击穿电场成反比。

较薄的半导体层涉及较低密度的少数电荷载流子，这是定义反向恢复电流的重要参数。事实上，在其他特性相同的情况下，具有更大芯片以支持更高电流的组件将具有更大的电荷，在传导和阻断之间经历瞬态，因此将具有更大的反向恢复电流。半导体切换到高频的能力与其饱和漂移速度成正比：碳化硅和氮化镓的漂移速度是硅的两倍。因此，后者可以在更高的频率下安全地工作。此外，更高的饱和漂移率相当于更快地去除电荷；这导致更短的恢复时间和更低的反向恢复电流。

在高温和更宽的带隙下工作的可能性还取决于材料的导热性。评估热阻的方法有多种：可以分析结与外壳之间的热阻或结与环境之间的热阻。

当没有连接外部散热器时，结和环境之间的热阻是一个有用的参数，例如在您想要比较不同封装的热性能的情况下。

可以使用品质因数以与导通电阻和栅极输入电荷之间的乘积成正比的方式来比较材料。这些参数分别决定导通损耗和开关损耗，并相互关联；通常，较低电荷值的组件将具有略高的导通电阻。

碳化硅二极管

碳化硅二极管多为肖特基二极管。经典的硅二极管基于 PN 结。在肖特基二极管中，金属被 p 型半导体取代，形成金属-半导体 (ms) 结或肖特基势垒。这提供了低导通压降、高开关速度和低噪声。肖特基二极管用于控制电路内电流的流动方向，使其仅从阳极流向阴极。当肖特基二极管处于未偏置状态时，自由电子将从 n 型半导体移动到金属，形成势垒。在正向偏置状态的情况下，如果电压大于 0.2 V，电子可以穿过势垒。

碳化硅二极管的漏电流远低于普通二极管。作为 WBG 半导体，碳化硅具有低得多的漏电流，并且可以比硅掺杂得更高。此外，由于碳化硅的带隙较宽，碳化硅二极管的正向电压高于硅二极管。

在对 System Plus Consulting 电力电子和化合物半导体团队成员 Amine Allouche 的采访中，我们重点介绍了 SiC 二极管的一些特性。

与普通的 PiN 二极管不同，肖特基二极管没有恢复电流，因为它们是具有多数电荷载流子的单极组件。然而，它们确实表现出一些由封装和电路的寄生能力和电感引起的恢复效应。SiC 二极管的主要应用是在电源电路中，尤其是在 CCM（连续传导模式）中的 PFC（功率因数校正）电路中。碳化硅 (SiC) 使二极管具有更高的故障电压和更高的电流容量，从而在工业充电中找到了空间。

“根据 Yole Développement 的数据，2019 年功率 SiC 裸二极管管芯市场价值 1.6 亿美元。这包括各种不同的细分市场，例如汽车、能源、工业……事实上，SiC 二极管主要用于中压应用（汽车、光伏、电机控制……）到高压应用（智能电网……）。在汽车应用中，SiC 器件，尤其是 SiC 二极管，目前被用于车载充电器 (OBC)，”Amine Allouche 说。

与所有 SiC 芯片一样，Amine Allouche 强调，SiC 二极管面临的主要挑战可分为三个级别：

材料层面：碳化硅晶圆的生产成本较高（例如与硅晶圆相比）。商业化的晶圆尺寸仍然有限（最多 6 英寸），而硅晶圆目前正在过渡到 12 英寸。

制造可靠设备所需的高质量晶圆的大批量供应商数量有限。我们的报告强调了这一点，我们比较了以下 SiC 二极管制造商/销售商的原始 SiC 晶圆成本：英飞凌、Wolfspeed、罗姆、意法半导体、安森美半导体、美高森美和 UnitedSiC。

器件级：器件可靠性面临一些关键工艺步骤的挑战，例如 SiC 外延、SiC 掺杂（需要高温）、SiC 蚀刻……与更成熟的硅技术相比，制造良率仍有待提高。

我们的报告详细介绍了外延良率和晶圆前端制造良率对 SiC 二极管生产成本的影响。

系统级：封装是 SiC 二极管的另一个挑战。需要开发新的封装解决方案才能充分受益于 SiC 技术优势。我们的报告详细介绍了与市场上可用的 SiC 二极管相关的不同封装方面，从封装类型、芯片连接到引线键合。

SiC 二极管可以组装成分立封装，用作混合模块中带有硅基晶体管的反并联二极管，或用作带有 SiC 晶体管的全 SiC 模块中的反并联二极管。
“在我们的报告中，我们重点介绍了制造商的芯片贴装选择等。在我们分析的 7 个制造商的 11 个 SiC 二极管中，我们观察到了五种类型的芯片连接。其中以锡基附着最为常见。然而，一个卖家使用特定类型的高性能芯片连接，但这会损害制造成本，”Amine Allouche 说。

碳化硅的高导热性允许更好的散热，提供比硅更小的外形尺寸。这允许降低成本并使用更小的包装。

碳化硅肖特基二极管的恢复时间和电恢复电荷较浅；重要且有趣的是，恢复时间和电流与温度和电流瞬变无关，这与硅二极管不同，硅二极管的恢复时间和电流随温度而大大增加。

SiC 二极管是逆变器的绝佳替代品：通过简单地将它们用作二极管，与硅 IGBT 反向并联放置，可以降低损耗。在典型的混合动力电动汽车 (HEV) 中，用碳化硅组件替代硅组件可使牵引效率提高 10% 以上。这导致散热器体积减少到 1/3。

审核编辑 黄昊宇