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碳化硅

2018-06-26 13:58:14 1019

  富芯微电子有限公司产品普及:什么是碳化硅


  碳化硅(SIC)是半导体界公认的“一种未来的材料”,是新世纪有广阔发展潜力的新型半导体材料。预计在今后5~10年将会快速发展和有显著成果出现。促使碳化硅发展的主要因素是硅(SI)材料的负载量已到达极限,以硅作为基片的半导体器件性能和能力极限已无可突破的空间。


  预计十年内(21世纪头十年)=碳化硅器件会有突破性发展。无论是SIC单晶材料还是SIC器件制造工艺都有重大发展,碳化硅材料开始走向成熟。与硅材料一起共同作为当前和今后主要半导体材料,在有些器件领域起到不可替代的作用并占有恰当市场。


  碳化硅是原子的复合体而不是单晶体,主要差异和性能在于硅和碳原子的相对数目,以及原子排列的不同结构。碳化硅的物理特性取决于晶体的碳硅原子排列结构,最普通和典型的是6方晶系的结构,称之为6H、4H和3C碳化硅。


  SIC属于“宽禁带”半导体,物理特性与硅有很大不同。单晶碳化硅(SIC)比单晶硅(SI)具有很多优越的物理特性,例如(1)大约10倍的电场强度;(2)大约高3倍的热导率;(3)大约宽3倍禁带宽度;(4)大约高一倍的饱和漂移速度(见图1)。


  理论上SIC器件的工作温度在500℃或更高温度,而硅器件是无法实现的。碳化硅的导热率超过铜的导热率,器件产生的热量会快速传递,这无疑对器件的通流性能提高非常有利。


  SIC有很强的耐辐射性,作成的器件可以在核反应堆附近及太空中电子设备应用,较小的透射,高的电场强度以及高的饱和漂移迁移率有利于器件体积减少和复杂内部结构建立。


  因此可以预见到不久将来,SIC材料和器件工艺的完善。部分SI领域被SIC来替代是指日可待的目标。


  半导体材料开发成功与否的判据主要是做成器件的性能和适用程度。SIC器件用在功率变流装置领域和高温工作状态是十分理想的材料,。上个世纪末,SIC器件开发成绩显著,PN结器件最高电压4.5KV已经诞生,并取得成功应用的实践。已经显示SIC光控二极管的灵敏度比SI同类器件高4个数量级,另外电流特性可实现更高的功率密度。这对电力电子装置的体积、效率和性能都有显著的改进作用。还可以用于雷达、汽车、飞机、通讯等特殊要求的领域。随着SIC材料和器件工艺完善和成熟,在潜在领域真正实现其价值,而其它半导体是无法达到的环境条件,特别象太空的苛刻条件将为SIC器件优点提供一个绝好应用场合。因此无论如何,SIC是一种“未来的材料”。


  2理想的功率开关器件


  电力半导体器件最主要特征是高电压,大功率,通态损耗小,即功率半导体器件通态电阻小(通态压降小),开关速度(频率)快,开关损耗小。


  无功率损耗的功率开关器件是不存在的,但近几年来出现了几种与此接近的器件,即与传统的功率半导体器件相比,通态压降,开关损耗都非常小,几乎接近理想的半导体器件。


  SI材料的MOSFET是一种驱动简单,开关频率和速度很快,功率损耗或称开关损耗很小的功率半导体器件,但至命缺点是电压不高,而且随电压升高,功耗迅速增加.IGBT是MOSFET的改进功率器件,同样具有MOSEFT器件驱动电路简单开关速度快的特点.在20世纪80年代IGBT取代双极型结型晶体管,耐压水平从几百伏很快上升到2KV以上的新型功率半导体器件.但高於2KV的功率装置系统,GTO或IGCT仍然牢牢的占领和控制着市场,令IGBT望尘莫及.GTO、IGCT作为一种功率开关器件,具有高电压,大电流,能产生很高功率的一种器件,但需要用比MOSFET和IGBT更复杂和功率较大的控制电路来驱动。