碳化硅元件 与 GaN 相比，SiC 拥有超过 15 年的二极管实际制造和应用经验以及超过 10 年的晶体管实际制造和应用经验。 SiC JFET 和共源共栅构成了坚实的技术，SiC 增强型 MOSFET 得到了英飞凌、Rohm、Microsemi 等重量级公司的支持，SiC IGBT 和 BT 也在开发中。 SiC 很容易承受高电压，即使是批产品也被指定为 1200 至 1700 V。毫无疑问，在呈指数级增长的电动汽车市场中，SiC 拥有非常光明的未来，从长远来看，它将取代 Si IGBT。
材料特性
与硅相比，这些是重要的优点：
宽带隙 3.2 与 1.1 eV
击穿场强 2.4 比 0.25 MV/cm 好得多
导热率 3.3 ... 4.9 比 1.5 W/cmK 好得多
电子漂移速度 1400 远优于 950x103 cm2 /Vs 5。 Tj 250 C 更高
SiC的特殊性能：
千伏范围内的高击穿电压和低漏电流。
连续高温运行可达约。 250℃。
高开关速度。
损耗不随温度而增加。
传热性能优良，>3倍于硅。
图 7.2 晶格位移是生产低成本 SiC 半导体困难的原因。如果没有位移，A' 将位于 A 处。晶格缺陷较多，导致成品率低。
严重的生产问题长期阻碍了SiC的引进。初，只能生产缺陷率较高的小晶圆。个可用的 SiC 产品——二极管——非常昂贵。时至今日，晶圆与硅晶圆相比仍相当小，良率较低，晶圆制造商也只有少数。的公司是 Cree，该材料也用于其 LED。 Cree 近投入巨资，期望汽车行业（仅大众汽车）能带来大笔业务，这肯定会实现。可能几年内SiC就会出现短缺。供应有限且价格高昂的原因是什么？主要原因是不良率导致良率低下。图 7.2 至 7.5 直观地展示了这些问题。
更高的导热率意味着尽管芯片小得多，但结和外壳之间的热阻保持不变。 TO-220 中的部件指定 1.5 度/W，与的 Coolmos 相同。
图 7.4：Si 和 SiC 的带隙。更高的带隙允许在 250°C 和千伏的高温下运行。 SiC 的磁场强度是 Si 的 10 倍。理论上，甚至 > 500 C 的工作温度也是可能的。
图 7.5：Si 和 SiC 的载流子浓度。除了带隙之外，这还决定了半导体在什么温度下仍保持不变。对于 SiC，该温度 > 1000 C。材料上方仅保留一个电阻。
允许的高场强可以将漂移区减小到 Si 的 1/10，并将其掺杂度提高 10 倍。在相同电压下，这会将 Rdson 通常降低至 Si 的 1/10。还提到了 1/20 至 1/30 的值。目前，多家公司的增强型 MOSFET 已在 1200 V 电压下实现了 < 10 mOhms，而这仅仅是一个开始。 JFET 的 Rdson 已经远低于 10 mOhms。
SiC零件的生产更加复杂、更加昂贵并且需要额外的投资，例如高温室、高能高温（>500℃）离子注入设备。处理热离子时，不能使用常规光掩模，因为它们只能承受 < 200 C 的温度，因此需要更耐用的材料，例如 SiO2。制造这种硬掩模需要更多时间。首先，必须沉积材料，然后必须通过光刻对其进行定义，然后必须进行蚀刻。下一个困难是大多数原子进入碳化硅的扩散系数相当低，特别是对于铝、磷和氮等常规材料。因此，注入过程必须在不同的能量水平下重复几次，多十次。
除了外延片价格较高（比硅片高2个数量级）外，其工艺复杂、耗时长，需要特殊投资。
所有消息人士一致预测，SiC 部件的价格永远不会达到 Si 部件的价格。然而，明智的做法是谨慎对待此类比较，因为 SiC 芯片比同类 Si 芯片小得多。
仅比较零件的价格具有误导性。只有完整的电路才能进行比较。 SiC 在高温、高压应用中表现出色，因此非常适合恶劣的汽车环境。它明显优于GaN。
SiC 将取代 Si IGBT，因为它允许更高的工作频率和温度，并且可以节省电感和电容元件。此外，它比硅部件更加坚固，这是汽车应用中的一个重要论点。当 JFET 和 MOSFET 的 Rdson 如此低时，正在开发的 SiC IGBT 是否有意义还值得怀疑。在离线 SMPS 中，SiC 的性能可能会优于 Si，功率可达数百瓦以上。 GaN 是一种低压材料，其利基小于 100 V。
对于所有半导体，不仅材料而且晶体结构对性能都有很大影响。在图 7.6 所示的约 200 种不同晶体结构中，仅使用了其中几种，对于 SiC 来说，这是 4HC。
图 7.6：新材料重要基材表。
击穿场强提高了 7 倍，因此除电动汽车外，太阳能和风力发电机逆变器中的 > 3 KV 组件也可采用 SiC，这些是 3 个重要的增长市场。
7.2 碳化硅二极管
尽管产量有所提高，但 SiC 晶圆仍然比 Si 晶圆小得多。这就是为什么 > 10 A 的芯片很少可用的原因。由于正 TC，可以通过芯片并联连接来处理更高的电流。
对于 Si，只有所谓的“纯”肖特基二极管只能制成高达 100 V 的电压。有 200 V 肖特基二极管，其价值值得怀疑。与硅超快二极管相比，肖特基二极管也有缺点，例如明显更高的电容和更高的漏电流。放电电流看起来类似于反向恢复电流。 SiC 肖特基没有反向恢复时间，并且它们的损耗不会随温度而增加，这也许是它们重要的优势。它们的电容是 GaAs 二极管的 5 倍，但后者从未得到普及。由于其正 TC，它们对过载很敏感，因为损耗会增加。
mmmSiC 二极管的结构。该二极管由金属-半导体接触构成，因此是具有已知优点的肖特基二极管。然而，正向电压相当高，大多数二极管是 600 V 型，1.5 V，遵循正向电压随阻断电压升高的一般规则。
到目前为止主要应用是PFC，制造商显然无法想象其他应用。事实上，只要晶体管硬切换到导电二极管上，例如在反激式转换器的次级中，即使标准 600 V 二极管的性能也优于 Si 超快二极管。 （参见 Bodo's Power 2009 年 11 月的文章）。即使输出电压低至约 25 V，600 V 二极管的性能也优于 Si 超快二极管。
与许多 GaAs 二极管类似，pn 二极管与 SiC 二极管并联集成。 pn 二极管在高电流下开始导通。正向电压约为 4 V，从而保护“纯”SiC 二极管。
7.3 碳化硅功率晶体管
多年的二极管生产经验减少了晶圆缺陷，为 SiC 功率晶体管的引入奠定了坚实的基础。 “天然”晶体管和是 JFET，Semisouth（已解散）等公司以及初的 Infineon 和所有提供共源共栅的公司（例如 USCI）都投票支持 JFET。 Infineon、Rohm、Microsemi 等公司现在更喜欢增强型 MOSFET。 Transic (Fairchild) 是一家生产 BT 的公司。此外，IGBT 也在开发中。电力电子设计人员必须熟悉 JFET。在开启之前必须提供负栅极电源，这限制了 JFET 对于具有辅助电源和共源共栅功能的电源的实用性。
在功率应用方面，SiC 原则上优于 GaN，SiC 晶体管已上市多年。在高压应用中，SiC 轻而易举地击败了 GaN：尽管 10 多年前，批 SiC 晶体管的指定电压为 1200 至 1700 V，但 GaN 一直停留在 650 V；直到近，一家公司才冒险指定 1200 V。问题是无法对其进行测试，因为测试具有破坏性。 SiC 的另一个优点是垂直结构，而大多数 GaN 晶体管是在 Si 衬底上制造的，因此它们是横向的。虽然 GaN 晶体管会被单个过压脉冲损坏，但 SiC MOSFET 有望达到雪崩额定值。 JFET 共源共栅可以防雪崩
“纯”和第二代 SiC 二极管的特性显示并联 pn 二极管接管电流，从而保护前者。如果没有保护，SiC 二极管将因功耗过高而损坏。
7.3.1 SiC JFET。尽管采用 SiC 和 GaN 的晶体管的自然类型是 JFET，但很难在电源中使用，因为 JFET 是耗尽型晶体管，即在栅极电压为 0 V 时完全导通。在电源开启时，它会出现短路，因此它只能在共源共栅中使用，其中标准 Si MOSFET 确保开启时的高阻抗。结合共源共栅的其他优点（例如非常快的开关和低输入电容），USCI 制造的这些共源共栅是的选择。很难理解为什么大公司坚持使用 MOSFET。
JFET 的优点：
在所有晶体管类型中，JFET 是容易生产的。
比 MOSFET 的 Rdson 更低。
由于电容较低，开关损耗较低。单个 JFET（即非共源共栅）的测试并未显示出比 Si Coolmos 更快的开关速度。
由于 Rdson 低于 Si 或 MOSFET，因此损耗更低。
适合 1200 V 以上的高电压。
在 250°C 下连续工作，前提是外壳能够承受该温度。
损耗不随温度而增加。
由于热导率高，尽管芯片较小，但热阻仍然很低。
无寄生元件、无 SBD、无 dv/dt 限制、无反并联二极管。
缺点：
JFET 本质上是耗尽型的，即栅极电压为 0 V 时，它们完全导通。为了关闭它们，必须向栅极施加超过夹断电压的负电压。因此，栅极驱动电压介于 0 V 和夹断电压之间，这不适合标准 IC 及其正电源。JFET 不能用作电源中的开关晶体管，因为这需要之前可用的负电源。打开。因此，JFET 只能用于共源共栅。
无雪崩等级，可能采用共源共栅，见下文。
栅极通过 pn 二极管与沟道隔离。如果栅极电压超过 0.6V，二极管将导通，从而栅极输入变为低阻抗。对于 MOSFET，栅极通过玻璃、SiO2 和高阻抗隔离，任何正电压或负电压低于指定电压。图 7.10：SiC 沟槽 JFET 的结构。与任何 JFET 一样，栅极和沟道以及漏极和沟道之间都有二极管。在 0 V 栅极电压下，通道已完全导通。如果栅极电压增加到约0.6V，二极管将导通，栅极输入变为低阻抗。如果漏极电流增加，漏极电势将会上升。如果它上升到阈值电压（例如 6V）以上，沟道就会开始夹断，从而电流无法进一步上升。
图 7.10：SiC 沟槽 JFET 的结构。与任何 JFET 一样，栅极和沟道以及漏极和沟道之间都有二极管。在 0 V 栅极电压下，通道已完全导通。如果栅极电压增加到约0.6V，二极管将导通，栅极输入变为低阻抗。如果漏极电流增加，漏极电势将会上升。如果它上升到阈值电压（例如 6V）以上，沟道就会开始夹断，从而电流无法进一步上升。
的开关是具有 JFET 的 SiC 共源共栅，可从多家公司购买，它们优于主要制造商支持的 MOSFET，并且没有问题。它们不需要接近栅极电压的高驱动电压，也不需要负栅极电压。 1200 V 时 < 10 mOhms，650 V 时 < 7 mOhms 是的。由于共源共栅中的下部晶体管是标准 Si MOSFET，因此 12 V 驱动就足够了。该 Si lv MOSFET 对共源共栅的总 Rdson 贡献 < 1 mOhm
关于雪崩特性，SiC 和 GaN 之间存在显着差异：制造商 USCI 为其 SiC 共源共栅指定了雪崩额定值。 USCI 利用双极已知的旧保护电路，例如在内燃机火花发生器中。如果超过漏极电压，JFET 中将发生正常的非破坏性二极管击穿。如果在下部 MOSFET 的栅极中插入足够高的电阻，则该漏电流将在电阻两端产生电压，终打开共源共栅，从而抑制过载。漏极电压几乎保持恒定.
虽然 GaN 晶体管长期以来仅限于 100 至 200 V，但后来出现了 600 V 类型，1200 V 类型也已发布多年，但并未问世。甚至批 SiC 晶体管的额定电压为 1200 至 1700 V。它们将单独取代许多 Si IGBT，因为它们允许更高的工作频率。高功率汽车已使用 800 V 电源。问题在于半导体行业是否能够提供大量碳化硅。 Si IGBT 制造商推出了第七代。 IGBT 的固有优势：其饱和电压随电流的变化很小。 FFET 是电阻器，因此损耗随着电流的平方而增加。 SiC 晶体管即使在 1200 V 下也因其极低的 Rdson 而具有竞争力。Si IGBT 的利润得益于预计不会出现 Si 晶圆供应问题。
其他公司在展会上只展示了样品和一些数据，但没有透露更多信息，也没有提供样品或文件。大多数公司只提供共源共栅，单 JFET 目前只能从 USCI 获得。作者与塞米南和克里人有着密切的通信往来。 TO-247 样品在 200 W 离线电源与 Coolmos 中进行了测试。在 125 KHz 的工作频率下，效率仅略有提高。在共源共栅中，改进非常明显，而 SiC 和 Si Coolmos 晶体管的改进也是如此。
JFET（无论是单个还是共源共栅）的一个重要应用是在桥式电路中，因为它们允许电流在两个方向上流动。
与使用 MOSFET 相比，不涉及寄生元件。较低 lv Si MOSFET 的反向二极管速度非常快。
箭头表示所示的所有电容均取决于电压 V-1/2。与所有 FET 一样，它们具有 TC = 0 点，其中导通电阻随温度的增加与 - 2.3 mV/度的负栅极电压特性相匹配。
