SiC（碳化硅）是什么？SiC-MOS关与Si-MOS管的区别

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SiC（碳化硅）是什么？SiC-MOS关与Si-MOS管的区别 [复制链接]

碳化硅（SiC）是比较新的半导体材料。一开始，我们先来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)组成的化合物半导体材料。其结合力非常强，在热、化学、机械方面都非常稳定。SiC存在各种多型体（多晶型体），它们的物理特性值各有不同。4H-SiC最适用于功率元器件。下表为Si和近几年经常听到的半导体材料的比较。

表中黄色高亮部分是Si与SiC的比较。蓝色部分是用于功率元器件时的重要参数。如数值所示，SiC的这些参数颇具优势。另外，与其他新材料不同，它的一大特征是元器件制造所需的p型、n型控制范围很广，这点与Si相同。基于这些优势，SiC作为超越Si限制的功率元器件用材料备受期待。

• Si和C是1对1的比例结合的Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体
• 以Si和C的原子对为单元层的最密堆积构造
• 存在各种多型体，且4H-SiC最适用于功率元器件
• 结合力非常强　⇒　热、化学、机械方面稳定
• 热稳定性 ：常压状态下无液层，2000℃升华
• 机械稳定性：莫氏硬度（9.3），可以媲美钻石（10）
• 化学稳定性 ：对大部分酸和碱具有惰性
• SiC功率元器件的特征

SiC比Si的绝缘击穿场强高约10倍，可耐600V～数千V的高压。此时，与Si元器件相比,可提高杂质浓度，且可使膜厚的漂移层变薄。高耐压功率元器件的电阻成分大多是漂移层的电阻，阻值与漂移层的厚度成比例增加。因为SiC的漂移层可以变薄，所以可制作单位面积的导通电阻非常低的高耐压元器件。理论上,只要耐压相同，与Si相比,SiC的单位面积漂移层电阻可低至1/300。

Si 功率元器件为改善高耐压化产生的导通电阻増大问题，主要使用IGBT（绝缘栅极双极晶体管）等少数载流子元器件（双极元器件）。但因为开关损耗大而具有发热问题，实现高频驱动存在界限。由于SiC能使肖特基势垒二极管和MOSFET等高速多数载流子元器件的耐压更高，因此能够同时实现 “高耐压”、“低导通电阻”、“高速”。

此时，带隙是Si的约3倍，能够在更高温度下工作。现在，受封装耐热性的制约可保证150℃～175℃的工作温度，但随着封装技术的发展将能达到200℃以上。

以上简略介绍了一些要点,对于没有物理特性和工艺基础的人来说可能有些难，但请放心,即使不理解上述内容也能使用SiC功率元器件。

qwqwqw2088

SiC-MOSFET的驱动与Si-MOSFET的比较中应该注意的两个关键要点。

与Si-MOSFET的区别：驱动电压

SiC-MOSFET与Si-MOSFET相比，由于漂移层电阻低，通道电阻高，因此具有驱动电压即栅极－源极间电压Vgs越高导通电阻越低的特性。下图表示SiC-MOSFET的导通电阻与Vgs的关系。

导通电阻从Vgs为20V左右开始变化（下降）逐渐减少，接近最小值。一般的IGBT和Si-MOSFET的驱动电压为Vgs=10～15V，而SiC-MOSFET建议在Vgs=18V前后驱动，以充分获得低导通电阻。也就是说，两者的区别之一是驱动电压要比Si-MOSFET高。与Si-MOSFET进行替换时，还需要探讨栅极驱动器电路。

与Si-MOSFET的区别：内部栅极电阻

SiC-MOSFET元件本身（芯片）的内部栅极电阻Rg依赖于栅电极材料的薄层电阻和芯片尺寸。如果是相同设计，则与芯片尺寸成反比，芯片越小栅极电阻越高。同等能力下，SiC-MOSFET的芯片尺寸比Si元器件的小，因此栅极电容小，但内部栅极电阻增大。例如，1200V 80mΩ产品（S2301为裸芯片产品）的内部栅极电阻约为6.3Ω。

这不仅局限于SiC-MOSFET，MOSFET的开关时间依赖于外置栅极电阻和上面介绍的内部栅极电阻合在一起的综合栅极电阻值。SiC-MOSFET的内部栅极电阻比Si-MOSFET大，因此要想实现高速开关，需要使外置栅极电阻尽量小，小到几Ω左右。

但是，外置栅极电阻还承担着对抗施加于栅极的浪涌的任务，因此必须注意与浪涌保护之间的良好平衡。

关键要点:
・为使SiC-MOSFET获得低导通电阻，Vgs需要在18V前后，要比Si-MOSFET高。

・SiC-MOSFET的内部栅极电阻比Si-MOSFET大，因此外置Rg较小，但需要权衡浪涌保护。

电源IC和MOS管

氮化镓和碳化硅 MOSFET应用建议

（1）所应用系统由于某些原因必须工作于超过200KHz以上的频率，首先碳化硅MOSFET，次选氮化镓晶体管；若工作频率低于200KHz，两者皆可使用；

（2）所应用系统要求轻载至半载效率极高，首先氮化镓晶体管，次选碳化硅MOSFET；

（3）所应用系统工作最高环境温度高，或散热困难，或满载要求效率极高，首选碳化硅MOSFET，次选氮化镓晶体管；

（4）所应用系统噪声干扰较大，特别是门极驱动干扰较大，首选碳化硅MOSFET，次选氮化镓晶体管；

（5）所应用系统需要功率开关由较大的短路能力，首选碳化硅MOSFET；

（6）对于其他无特殊要求的应用系统，此时根据散热方式，功率密度，设计者对两者的熟悉程度等因素来确定选择哪种产品。

qwqwqw2088

电源IC和MOS管 发表于 2021-5-25 09:19 氮化镓和碳化硅 MOSFET应用建议 （1）所应用系统由于某些原因必须工作于超过200KHz以上的频率，首先碳化 ...

看来对氮化镓和碳化硅 MOSFE挺熟悉

 

电源IC和MOS管

qwqwqw2088 发表于 2021-5-25 10:26 看来对氮化镓和碳化硅 MOSFE挺熟悉  

您好，可以相互加下微信。18126115420

我司在主推碳化硅MOS及功率模块，所以在网上找了部分资料学习，还是要感谢你们这些资深技术大咖。

wang12011201

与Si-MOSFET的区别：内部栅极电阻

SiC-MOSFET元件本身（芯片）的内部栅极电阻Rg依赖于栅电极材料的薄层电阻和芯片尺寸。如果是相同设计，则与芯片尺寸成反比，芯片越小栅极电阻越高。同等能力下，SiC-MOSFET的芯片尺寸比Si元器件的小，因此栅极电容小，但内部栅极电阻增大。例如，1200V 80mΩ产品（S2301为裸芯片产品）的内部栅极电阻约为6.3Ω。

wang12011201

与Si-MOSFET的区别：内部栅极电阻

SiC-MOSFET元件本身（芯片）的内部栅极电阻Rg依赖于栅电极材料的薄层电阻和芯片尺寸。如果是相同设计，则与芯片尺寸成反比，芯片越小栅极电阻越高。同等能力下，SiC-MOSFET的芯片尺寸比Si元器件的小，因此栅极电容小，但内部栅极电阻增大。例如，1200V 80mΩ产品（S2301为裸芯片产品）的内部栅极电阻约为6.3Ω。