AMEYA360代理丨ROHM SiC基础篇：为何SiC能成为新能源主力器件？

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　　何谓碳化硅

　　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。

　　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。

　　前面对SiC的物理特性和SiC功率元器件的特征进行了介绍。SiC功率元器件具有优于Si功率元器件的更高耐压、更低导通电阻、可更高速工作,且可在更高温条件下工作。接下来将针对SiC的开发背景和具体优点进行介绍。

　　SiC功率元器件的开发背景

　　之前谈到，通过将SiC应用到功率元器件上，实现以往Si功率元器件无法实现的低损耗功率转换。不难发现这是SiC使用到功率元器件上的一大理由。其背景是为了促进解决全球节能课题。

　　以低功率DC/DC转换器为例，随着移动技术的发展，超过90 %的转换效率是很正常的，然而高电压、大电流的AC/DC转换器的效率还存在改善空间。众所周知，以EU为主的相关节能指令强烈要求电气/电子设备实现包括消减待机功耗在内的节能目标。

　　在这种背景下，削减功率转换时产生的能耗是当务之急。不用说，必须将超过Si极限的物质应用于功率元器件。

　　例如，利用SiC功率元器件可以比IGBT的开关损耗降低85%。如该例所示，毫无疑问，SiC功率元器件将成为能源问题的一大解决方案。

　　SiC的优点

　　如前文所述，利用SiC可以大幅度降低能量损耗。当然，这是SiC很大的优点，接下来希望再了解一下低阻值、高速工作、高温工作等SiC的特征所带来的优势。

　　通过与Si的比较来进行介绍。”低阻值”可以单纯解释为减少损耗，但阻值相同的话就可以缩小元件(芯片)的面积。应对大功率时，有时会使用将多个晶体管和二极管一体化的功率模块。例如，SiC功率模块的尺寸可达到仅为Si的1/10左右。

　　关于“高速工作”，通过提高开关频率，变压器、线圈、电容器等周边元件的体积可以更小。实际上有能做到原有1/10左右的例子。

　　“高温工作”是指容许在更高温度下的工作，可以简化散热器等冷却机构。

　　如上所述，可使用SiC来改进效率或应对更大功率。而以现状的电力情况来说，通过使用SiC可实现显著小型化也是SiC的一大优点。不仅直接节能，与放置场所和运输等间接节能相关的小型化也是重要课题之一。

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