碳化硅肖特基二極管的應(yīng)用方向！國晶微半導(dǎo)體

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2022-03-17 07:55:49 18

本文主要介紹了碳化硅二極管的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展歷史，并詳細(xì)解釋了碳化硅MOS管的分類和結(jié)構(gòu)。硅和碳的*成分是碳化硅（SiC），通常稱為金剛砂。碳化硅在自然界中以礦物莫桑石的形式存在，但非常罕見。然而，自1893年以來，已大量生產(chǎn)粉末狀碳化硅作為磨料。碳化硅用作磨料已有一百多年的歷史，主要用于砂輪和許多其他磨料應(yīng)用。

“在達(dá)到閾值電壓（VT）之前，SiC具有高電阻。當(dāng)達(dá)到閾值電壓時，其電阻將大大降低，直到施加的電壓下降到VT以下。SiC最早的電氣應(yīng)用就是利用了這一特性是配電系統(tǒng)中的避雷器（如圖所示）。

由于SiC具有壓敏電阻，因此SiC芯柱可以連接在高壓線和地面之間。如果電源線被雷電擊中，則電源電壓將升高并超過SiC避雷器的閾值電壓（VT），從而將雷電流引導(dǎo)并傳遞到地面（而不是電源線），從而不會造成傷害。但是這些SiC避雷器在電源線的正常工作電壓下會傳導(dǎo)過多的電流。因此，火花隙必須串聯(lián)。當(dāng)電源線的電壓由于雷擊而上升時，火花隙將電離并導(dǎo)電，從而有效地將SiC避雷器連接到電源線和地面之間。后來，相關(guān)人員發(fā)現(xiàn)避雷器使用的火花隙不可靠。由于材料故障，灰塵或鹽分侵入，可能會發(fā)生火花間隙在需要時無法觸發(fā)電弧或在雷電后無法熄滅電弧的情況。碳化硅避雷器最初旨在消除對火花間隙的依賴性，但是由于其可靠性，帶間隙的碳化硅避雷器大多被氧化鋅芯無間隙壓敏電阻所取代。

電力電子中的SiC

由碳化硅生產(chǎn)的半導(dǎo)體器件有很多類型，包括肖特基二極管（也稱為肖特基勢壘二極管或SBD），J型場效應(yīng)晶體管（或JFET）以及用于大功率開關(guān)應(yīng)用晶體管的場效應(yīng)。一些公司開始嘗試將碳化硅肖特基二極管裸芯片應(yīng)用于電力電子模塊。實際上，硅襯底已被廣泛用于IGBT功率模塊和功率因數(shù)校正電路中。

SiC的優(yōu)缺點

碳化硅基電力電子組件如此吸引人的原因之一是，在給定的阻斷電壓下，其摻雜密度幾乎是硅基器件的摻雜密度的一百倍。以此方式，可以獲得具有低導(dǎo)通電阻的高阻斷電壓。低導(dǎo)通電阻對于大功率應(yīng)用非常重要，因為當(dāng)導(dǎo)通電阻降低時，會產(chǎn)生較少的熱量，從而降低了系統(tǒng)的熱負(fù)荷并提高了整體效率。

然而，在基于碳化硅的電子部件的生產(chǎn)中存在一些困難，并且消除缺陷已經(jīng)成為最重要的問題。這些缺陷將導(dǎo)致由SiC晶體制成的組件的反向阻擋性能差。除了晶體質(zhì)量問題之外，二氧化硅和SiC之間的界面問題也阻礙了SiC基功率MOSFET和絕緣柵雙極晶體的發(fā)展。幸運的是，在生產(chǎn)中使用氮化技術(shù)可以大大減少導(dǎo)致這些界面問題的缺陷。

SiC磨料片

碳化硅在許多工業(yè)應(yīng)用中仍被用作磨料。在電子工業(yè)中主要用作拋光膜，以在熔接之前對光纖的兩端進(jìn)行拋光。這些可以為光纖連接器帶來高度的平滑度，以實現(xiàn)高效的操作。碳化硅已經(jīng)生產(chǎn)了一百多年，但直到最近才在電力電子行業(yè)中使用。由于其特殊的物理和電氣特性，在高壓和高溫應(yīng)用中非常有用。

如今，碳化硅二極管被用于各個領(lǐng)域。

1.太陽能逆變器。

碳化硅二極管是太陽能發(fā)電二極管的基本材料，在各種技術(shù)指標(biāo)上均優(yōu)于普通的雙極二極管技術(shù)。碳化硅二極管的通斷狀態(tài)的開關(guān)速度非常快，并且在使用普通雙極二極管技術(shù)進(jìn)行開關(guān)時沒有反向恢復(fù)電流。消除反向恢復(fù)電流效應(yīng)后，碳化硅二極管的能耗降低了70％，并且可以在較寬的溫度范圍內(nèi)保持較高的能量效率，從而提高了設(shè)計人員優(yōu)化系統(tǒng)工作頻率的靈活性。

2.新能源汽車充電器。

通過汽車產(chǎn)品測試后，碳化硅二極管的擊穿電壓增加到650伏，可以滿足設(shè)計人員和汽車制造商降低電壓補(bǔ)償系數(shù)的要求，從而確保標(biāo)稱電壓和瞬時峰值電壓車載可充電半導(dǎo)體組件之間有足夠的安全裕度。雙管二極管產(chǎn)品可以最大程度地利用空間并減輕車載充電器的重量。

3.開關(guān)電源的優(yōu)點。

碳化硅的使用可以非常快速地切換，可以在高頻下運行，并且具有零恢復(fù)和與溫度無關(guān)的特性。利用我們的低電感RP封裝，這些二極管可用于任何數(shù)量的快速開關(guān)二極管電路或高頻轉(zhuǎn)換器。

4.產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。

碳化硅二極管：重型電機(jī)和工業(yè)設(shè)備主要用于高頻功率轉(zhuǎn)換器，可帶來高效率，高功率和高頻的優(yōu)勢。

SiC器件

*. SiC器件的分類。

碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。

碳化硅場效應(yīng)晶體管是碳化硅功率電子器件研究中最關(guān)注的器件。如今，硅材料已接近理論性能極限，碳化硅功率器件因其高耐壓，低損耗和高效率而被視為“理想器件”。但是，與以前的硅器件相比，性能和成本之間的平衡以及對高科技的需求將成為推動碳化硅功率器件發(fā)展的關(guān)鍵。

第二，碳化硅MOS的結(jié)構(gòu)。

N +源區(qū)和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管通過離子注入進(jìn)行N +摻雜，并在1700°C退火。另一個關(guān)鍵過程是形成碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體柵氧化物。由于碳化硅中同時存在硅原子和碳原子，因此需要一種非常特殊的柵極電介質(zhì)生長方法。凹槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)點如下：

碳化硅場效應(yīng)晶體管的溝槽結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮碳化硅的特性。

第三，碳化硅MOS的優(yōu)勢。

一般而言，硅IGBT只能在20kHz以下的頻率下工作。由于材料限制，不能實現(xiàn)高壓和高頻硅器件。碳化硅MOSFET不僅適用于600V至10kV的寬電壓范圍，而且具有單極器件的*開關(guān)性能。與硅IGBT相比，當(dāng)開關(guān)電路中沒有電流拖尾時，碳化硅場效應(yīng)晶體管具有更低的開關(guān)損耗和更高的工作頻率。

20kHz碳化硅MOSFET模塊的損耗可以比3kHz硅IGBT模塊的損耗低一半，而50A的碳化硅模塊可以代替150A的硅模塊。它顯示了碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管在工作頻率和效率方面的巨大優(yōu)勢。

碳化硅MOSFET的寄生體二極管反向恢復(fù)時間trr和反向恢復(fù)電荷Qrr非常小。如圖所示，碳化硅MOSFET的寄生二極管的反向電荷僅為相同電壓規(guī)格的硅基MOSFET的反向電荷的5％。對于電橋電路（特別是當(dāng)LLC轉(zhuǎn)換器工作在諧振頻率以上時），此指示器非常關(guān)鍵，它可以減少死區(qū)時間和體二極管反向恢復(fù)所引起的損耗和噪聲，并有助于改善開關(guān)頻率。

四，碳化硅MOS管的應(yīng)用！

碳化硅MOSFET模塊在諸如光伏發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電，電動汽車和軌道交通等中大功率系統(tǒng)的應(yīng)用中具有巨大優(yōu)勢。碳化硅器件的高電壓，高頻率和高效率的優(yōu)點可以突破現(xiàn)有電動汽車設(shè)計中器件性能的局限性，這是國內(nèi)外電動汽車領(lǐng)域研究和開發(fā)的重點。國外。例如，由電裝和豐田聯(lián)合開發(fā)的混合動力電動汽車（HEV）和純電動汽車（EV）中的功率控制單元（PCU）使用碳化硅MOSFET模塊，從而將體積比減小到1/5。三菱公司開發(fā)的EV電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)使用SiCMOSFET模塊將功率驅(qū)動模塊集成到電動機(jī)中，從而實現(xiàn)了集成化和小型化的目標(biāo)。預(yù)計近年來，碳化硅MOSFET模塊將在國內(nèi)外電動汽車中廣泛使用。

無錫國晶微半導(dǎo)體技術(shù)有限公司是一家高科技創(chuàng)新型企業(yè)，致力于碳化硅SiC功率器件，氮化鎵GaN光電器件和常規(guī)集成電路的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。它從事于碳化硅場效應(yīng)晶體管。碳化硅肖特基二極管，GaN光電耦合器繼電器，單芯片集成電路等產(chǎn)品芯片的設(shè)計，生產(chǎn)和銷售，并提供相關(guān)產(chǎn)品總體方案設(shè)計的配套服務(wù)，總部位于江蘇省無錫市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)，并深圳和香港設(shè)有研發(fā)中心，銷售服務(wù)支持中心和辦事處。

該公司的碳化硅功率器件涵蓋650V / 2A-100A，1200V / 2A-90A，1700V / 5A-80A等系列。產(chǎn)品已投入批量生產(chǎn)，產(chǎn)品完全可以與國際品牌的先進(jìn)質(zhì)量和水平相提并論。先后推出了全電流，全電壓等級的碳化硅肖特基二極管，碳化硅MOSFET系列產(chǎn)品，并通過了工業(yè)級和汽車級的可靠性測試，性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。它們用于太陽能逆變器電源，新能源電動汽車和充電樁。，智能電網(wǎng)，高頻電焊，軌道交通，工業(yè)控制專用電源，國防*等領(lǐng)域。由于其高速開關(guān)和低導(dǎo)通電阻特性，即使在高溫條件下，它也可以表現(xiàn)出*的電氣特性，極大地降低了開關(guān)損耗，使組件更小，更輕，更有效，并改善了整個系統(tǒng)的可靠性，從而可以提高系統(tǒng)的可靠性。電動汽車的最大功率范圍可減少10％，整車重量減少約5％，并在設(shè)計使用的充電樁的高溫環(huán)境中實現(xiàn)安全穩(wěn)定的運行。

公司核心研發(fā)團(tuán)隊中的大多數(shù)工程師都具有碩士學(xué)位或以上學(xué)歷，并且有許多博士負(fù)責(zé)該項目的開發(fā)。公司建立了科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新和知識產(chǎn)權(quán)管理的標(biāo)準(zhǔn)化體系，在電路設(shè)計，半導(dǎo)體器件與工藝設(shè)計，可靠性設(shè)計，器件模型提取等方面積累了許多核心技術(shù)，并擁有多個國際國內(nèi)獨立發(fā)明專利。

“*最重要的武器，從結(jié)晶，自我完善，自力更生，取得百年成功”開始，是國晶微半導(dǎo)體的共同目標(biāo)。我們?yōu)閱T工提供了*的發(fā)展空間，并為客戶提供了優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品和服務(wù)。我們真誠期待與您共贏未來。。

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