SiC是什么？SiC-MOS管與Si-MOS管的區別-KIA MOS管

SiC簡介

SiC--碳化硅，是比較新的半導體材料。先來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)組成的化合物半導體材料。其結合力非常強，在熱、化學、機械方面都非常穩定。SiC存在各種多型體（多晶型體），它們的物理特性值各有不同。4H-SiC最適用于功率元器件。

下表為Si和近幾年經常聽到的半導體材料的比較。

表中黃色高亮部分是Si與SiC的比較。藍色部分是用于功率元器件時的重要參數。如數值所示，SiC的這些參數頗具優勢。

另外，與其他新材料不同，它的一大特征是元器件制造所需的p型、n型控制范圍很廣，這點與Si相同。基于這些優勢，SiC作為超越Si限制的功率元器件用材料備受期待。

Si和C是1對1的比例結合的Ⅳ-Ⅳ族化合物半導體

以Si和C的原子對為單元層的最密堆積構造

存在各種多型體，且4H-SiC最適用于功率元器件

結合力非常強 → 熱、化學、機械方面穩定

熱穩定性 ：常壓狀態下無液層，2000℃升華

機械穩定性：莫氏硬度（9.3），可以媲美鉆石（10）

化學穩定性 ：對大部分酸和堿具有惰性

SiC功率元器件的特征

SiC比Si的絕緣擊穿場強高約10倍，可耐600V～數千V的高壓。此時，與Si元器件相比,可提高雜質濃度，且可使膜厚的漂移層變薄。高耐壓功率元器件的電阻成分大多是漂移層的電阻，阻值與漂移層的厚度成比例增加。

因為SiC的漂移層可以變薄，所以可制作單位面積的導通電阻非常低的高耐壓元器件。理論上,只要耐壓相同，與Si相比,SiC的單位面積漂移層電阻可低至1/300。

Si 功率元器件為改善高耐壓化產生的導通電阻増大問題，主要使用IGBT（絕緣柵極雙極晶體管）等少數載流子元器件（雙極元器件）。但因為開關損耗大而具有發熱問題，實現高頻驅動存在界限。

由于SiC能使肖特基勢壘二極管和MOSFET等高速多數載流子元器件的耐壓更高，因此能夠同時實現 “高耐壓”、“低導通電阻”、“高速”。

此時，帶隙是Si的約3倍，能夠在更高溫度下工作。現在，受封裝耐熱性的制約可保證150℃～175℃的工作溫度，但隨著封裝技術的發展將能達到200℃以上。

SiC-MOS管的驅動與Si-MOS管的比較中應該注意的兩個關鍵要點。

與Si-MOSFET的區別：驅動電壓

SiC-MOSFET與Si-MOSFET相比，由于漂移層電阻低，通道電阻高，因此具有驅動電壓即柵極－源極間電壓Vgs越高導通電阻越低的特性。下圖表示SiC-MOSFET的導通電阻與Vgs的關系。

導通電阻從Vgs為20V左右開始變化（下降）逐漸減少，接近最小值。一般的IGBT和Si-MOSFET的驅動電壓為Vgs=10～15V，而SiC-MOSFET建議在Vgs=18V前后驅動，以充分獲得低導通電阻。

也就是說，兩者的區別之一是驅動電壓要比Si-MOSFET高。與Si-MOSFET進行替換時，還需要探討柵極驅動器電路。

與Si-MOSFET的區別：內部柵極電阻

SiC-MOSFET元件本身（芯片）的內部柵極電阻Rg依賴于柵電極材料的薄層電阻和芯片尺寸。如果是相同設計，則與芯片尺寸成反比，芯片越小柵極電阻越高。

同等能力下，SiC-MOSFET的芯片尺寸比Si元器件的小，因此柵極電容小，但內部柵極電阻增大。例如，1200V 80mΩ產品（S2301為裸芯片產品）的內部柵極電阻約為6.3Ω。

這不僅局限于SiC-MOSFET，MOSFET的開關時間依賴于外置柵極電阻和上面介紹的內部柵極電阻合在一起的綜合柵極電阻值。

SiC-MOSFET的內部柵極電阻比Si-MOSFET大，因此要想實現高速開關，需要使外置柵極電阻盡量小，小到幾Ω左右。

但是，外置柵極電阻還承擔著對抗施加于柵極的浪涌的任務，因此必須注意與浪涌保護之間的良好平衡。

關鍵要點:

為使SiC-MOSFET獲得低導通電阻，Vgs需要在18V前后，要比Si-MOSFET高。

SiC-MOSFET的內部柵極電阻比Si-MOSFET大，因此外置Rg較小，但需要權衡浪涌保護。

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