電力電子新技術的發展已將工業市場引向其他資源以優化能源效率。硅和鍺是當今用于生產半導體的兩種主要材料。損耗和開關速度方面的有限發展已將技術引向新的寬帶隙資源，例如碳化硅 (SiC)。
SiC提供比硅更高的效率水平，這主要是由于顯著降低的能量損失和反向充電。這導致在開啟和關閉階段需要更多的開關功率和更少的能量。較低的熱損失還可以移除冷卻系統，從而減少空間、重量和基礎設施成本。隨著物聯網和人工智能應用的部署不斷增加以及向云端的遷移，提高能源密集型 IT 基礎設施管理效率將變得越來越重要。
碳化硅具有比純硅更寬的帶寬，這使得該技術甚至可以在高工作溫度下使用。
寬帶隙參數
寬帶隙半導體的帶隙比硅或砷化鎵 (GaAs) 等普通半導體寬得多。這自然會轉化為更大的擊穿電場，并轉化為在高溫下工作并降低輻射敏感性而不損失電氣特性的可能性。
隨著溫度的升高，價帶中電子的熱能也隨之增加，直到它們達到躍遷到導帶所必需的能量(在一定溫度下)。對于硅，該溫度約為 150°C;然而，對于 WBG 半導體，這些值要高得多。
高電擊穿場提供更高的擊穿電壓。該電壓是擊穿體二極管斷開時的值，并且不斷增加的電流在源極和漏極之間流動。PN結二極管的擊穿電壓與擊穿電場成正比，與材料濃度成反比。
高電場為低得多的漂移區域提供了出色的摻雜和電阻水平。在相同的擊穿電壓下，漂移區的寬度與擊穿電場成反比。
另一個重要參數是漂移區的導通電阻。分析前面的 PN 結二極管示例，我們可以看到導通電阻與單極元件的擊穿電場成反比。
較薄的半導體層涉及較低密度的少數載流子，這是定義反向恢復電流的重要參數。事實上，在其他特性相同的情況下，設計用于支持更高電流的更大裸片的組件將具有更大的電荷，這些電荷會經歷導通和阻斷之間的瞬變，因此將具有更大的反向恢復電流。半導體切換到高頻的能力與其飽和漂移速度成正比：碳化硅和氮化鎵的漂移速度是硅的兩倍。結果，后者可以安全地以更高的頻率運行。此外，更高的飽和漂移率相當于更快地去除電荷;這導致更短的恢復時間和更低的反向恢復電流。
在高溫和更寬的帶隙下工作的可能性也取決于材料的熱導率。有幾種評估熱阻的方法：您可以分析結與外殼之間的熱阻或結與環境之間的熱阻。
當未連接外部散熱器時，結與環境之間的熱阻是一個有用的參數，例如在您想要比較不同封裝的熱性能的情況下。
可以使用品質因數以與導通電阻和柵極輸入電荷之間的乘積成正比的方式比較材料。這些參數分別決定了傳導損耗和開關損耗，并且相互關聯;通常，較低電荷值的元件將具有稍高的導通電阻。
碳化硅二極管
碳化硅二極管多為肖特基二極管。經典硅二極管基于 PN 結。在肖特基二極管中，金屬被 p 型半導體取代，形成金屬-半導體 (ms) 結或肖特基勢壘。這提供了低傳導壓降、高開關速度和低噪聲。肖特基二極管用于控制電路內電流的方向，使其僅從陽極流向陰極。當肖特基二極管處于無偏置狀態時，自由電子將從 n 型半導體移動到形成勢壘的金屬。在正向偏置狀態下，如果電壓大于 0.2 V，電子可以穿過勢壘。
碳化硅二極管的漏電流遠低于普通二極管。作為 WBG 半導體，碳化硅具有低得多的漏電流并且可以比硅高得多的摻雜。此外，由于碳化硅的帶隙較寬，SiC二極管的正向電壓高于硅二極管。
在對 System Plus Consulting 的電力電子和化合物半導體團隊成員 Amine Allouche 的采訪中，我們強調了 SiC 二極管的一些特性。
與普通的 PiN 二極管不同，肖特基二極管沒有恢復電流，因為它們是具有多數電荷載流子的單極元件。然而，它們確實表現出一些由封裝和電路的寄生能力和電感引起的恢復效應。SiC 二極管的主要應用是在電源電路中，尤其是在 CCM(連續導通模式)的 PFC(功率因數校正)電路中。碳化硅 (SiC) 賦予二極管更高的故障電壓和更高的電流容量，從而在工業充電中找到了空間。
“根據 Yole Développement 的數據，2019 年功率 SiC 裸二極管裸片市場價值 1.6 億美元。這包括各種不同的細分市場，例如汽車、能源、工業……實際上，SiC 二極管主要用于中壓應用(汽車, PV, 電機控制...) 到高壓應用(智能電網...)。在汽車應用中，SiC 器件，尤其是 SiC 二極管，目前被用于車載充電器 (OBC)，”Allouche 說。
與所有 SiC 芯片一樣，Allouche 強調，SiC 二極管面臨的主要挑戰可分為三個層面：
· 材料層面：SiC 晶圓的生產成本較高(例如與 Si 晶圓相比)。商業化的晶圓尺寸仍然有限(最大 6 英寸)，而硅晶圓目前正在過渡到 12 英寸。
制造可靠設備所需的高質量晶圓的大批量供應商數量有限。我們的報告強調了這一點，我們比較了 SiC 二極管制造商/銷售商的原始 SiC 晶圓成本：Infineon、Wolfspeed、Rohm、STMicroelectronics、ON Semiconductor、Microsemi 和 UnitedSiC。
· 器件級：器件可靠性在一些關鍵工藝步驟中具有挑戰性，例如 SiC 外延、SiC 摻雜(需要高溫)、SiC 蝕刻……與更成熟的硅技術相比，制造良率仍需要提高。
我們的報告詳細介紹了外延良率和晶圓前端制造良率對 SiC 二極管生產成本的影響。
· 系統級：封裝是 SiC 二極管的另一個挑戰。需要開發新的封裝解決方案以充分利用 SiC 技術優勢。Yole 的報告詳細介紹了與市場上可用的 SiC 二極管相關的不同封裝方面，從封裝類型、芯片貼裝到引線鍵合。
SiC二極管可以組裝成分立封裝，在混合模塊中作為與硅基晶體管的反并聯二極管使用，或者在與SiC晶體管的全SiC模塊中作為反并聯二極管使用。
“例如，在我們的報告中，我們強調了制造商的芯片粘接選擇。在我們分析的 7 家制造商的 11 款 SiC 二極管中，我們觀察到 5 種類型的貼片。其中以錫基附著最為常見。然而，一位賣家使用了一種特定類型的高性能芯片貼裝，但這會損害制造成本，”Allouche 說
碳化硅的高導熱性允許更好的散熱，提供比硅更小的外形尺寸。這允許降低成本并具有更小的包裝。
碳化硅肖特基二極管的恢復時間和電恢復電荷較淺;重要且有趣的是，恢復時間和電流與溫度和電流瞬變無關，這與恢復時間和電流隨溫度顯著增加的硅二極管不同。
SiC 二極管是逆變器中的絕佳替代品：只需將它們用作與硅 IGBT 反并聯放置的二極管，就可以減少損耗。在典型的混合動力電動汽車 (HEV) 中，用碳化硅組件替代硅組件可將牽引效率提高 10% 以上。這導致散熱器體積減少到 1/3。
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