黑碳化硅 SiC－黑色诱惑，未来已来

碳化硅 (SiC)黑碳化硅，英文名称 silicon carbide，俗称金刚砂。纯碳化硅是无色透明的晶体；工业碳化硅因所含杂质的种类和含量不同，而呈浅黄、绿、蓝乃至黑色，透明度随其纯度不同而异。

碳化硅晶体结构分为六方或菱面体的 α-SiC 和立方体的 β-SiC（称立方碳化硅)。

其中：

▫ α-SiC 由于其晶体结构中碳和硅原子的堆垛序列不同而构成许多不同变体，已发现 70 余种。

▫β-SiC 于 2100℃ 以上时转变为 α-SiC。

碳化硅的工业制法是用优质石英砂和石油焦在电阻炉内炼制。炼得的碳化硅块，经破碎、酸碱洗、磁选和筛分或水选而制成各种粒度的产品。

碳化硅有黑碳化硅和绿碳化硅两个常用的基该品种，都属 α-SiC。

① 黑碳化硅含 SiC 约 95%，其韧性高于绿碳化硅，大多用于加工抗张强度低的材料，如玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、铸铁和有色金属等。

② 绿碳化硅含 SiC 约 97% 以上，自锐性好，大多用于加工硬质合金、钛合金和光学玻璃，也用于珩磨汽缸套和精磨高速钢刀具。

此外还有立方碳化硅，它是以特殊工艺制取的黄绿色晶体，用以制作的磨具适于轴承的超精加工，可使表面粗糙度从 Ra32～0.16 微米一次加工到 Ra0.04～0.02 微米。

从低端到最先进科技，碳化硅与我们生活每一个角落处处相关。

比如：

▫碳化硅避雷器，我们用电安全的幕后英雄；

▫高速公路，一种用碳化硅砂与改性沥青混合铺就的康庄大道；

▫碳化硅砂轮，小作坊一角，满地灰尘和飞溅的火花……

这类砂型为基础的碳化硅，还需要净化到 99.999％ 以上做成单晶，才能被用于半导体加工。

根据百科介绍，碳化硅颜色是和纯度有关，从透明晶体色一直延续到黑色。那么，单晶是什么颜色的？

这是我国制成的四寸单晶体，像不像一个切了边的黑圆面包？

晶架上切薄的 SiC 晶片。

SiC 在电源中的应用，最基本的，是做绝缘垫或散热器。由于 SiC 最耐高温和低膨胀系数，直接做成了散热器板，用在需要高强度散热地方，比如一些高端电源和 LED 照明。

Al2O3

Si3N4

SiC

碳化硅二极管和 MOSFET

说道半导体领域，最不可绕过碳化硅二极管和 MOSFET 了。

1842年

碳化硅被发现，但因其制备时的工艺难度大，并且器件的成品率低，导致了价格较高，这影响了它的应用；

1955年

生产高品质碳化硅的方法出现促进了 SiC 材料的发展，在航天、航空、雷达和核能开发的领域得到应用；

1987年

商业化生产的 SiC 进入市场，并应用于石油地热的勘探、变频空调的开发、平板电视的应用以及太阳能变换的领域。

对于电源人来讲，最早批量商业化的，非碳化硅肖特基二极管莫属。

SBD 在导通过程中没有额外载流子的注入和储存，因而反向恢复电流小，关断过程很快，开关损耗小。

传统的硅肖特基二极管，由于所有金属与硅的功函数差都不很大，硅的肖特基势垒较低，硅 SBD 的反向漏电流偏大，阻断电压较低，只能用于一二百伏的低电压场合且不适合在 150 ℃ 以上工作。

然而，碳化硅 SBD 弥补了硅 SBD 的不足，许多金属，例如镍、金、钯、钛、钴等，都可以与碳化硅形成肖特基势垒高度 1eV 以上的肖特基接触。

据报道：

▫ Au/4H-SiC 接触的势垒高度可达到 1.73eV；

▫ Ti/4H-SiC 接触的势垒比较低，但最高也可以达到 1.1eV；

▫ 6H-SiC与各种金属接触之间的肖特基势垒高度变化比较宽，最低只有 0.5 eV，最高可达1.7 eV。

于是，SBD 成为人们开发碳化硅电力电子器件首先关注的对象。它是高压快速与低功率损耗、耐高温相结合的理想器件。

不同结构二极管特性对比：

金属与半导体接触时，载流子流经肖特基势垒形成的电流主要有四种输运途径。

这四种输运方式为：

1. N 型 4H-SiC 半导体导带中的载流子电子越过势垒顶部热发射到金属；

2. N 型 4H-SiC 半导体导带中的载流子电子以量子力学隧穿效应进入金属；

3. 空间电荷区中空穴和电子的复合；

4. 4H-SiC 半导体与金属由于空穴注入效应导致的的中性区复合。

载流子输运主要由前两种情况决定。

第 1 种输运方式是 4H-SiC 半导体导带中的载流子越过势垒顶部热发射到金属进行电流输运，也就是整流接触。

第 2 种输运方式又分成两个状况，随着 4H-SiC 半导体掺杂浓度的增加，耗尽层逐渐变薄，肖特基势垒也逐渐降低，4H-SiC 半导体导带中的载流子由隧穿效应进入到金属的几率变大。

一种是4H-SiC 半导体的掺杂浓度非常大时，肖特基势垒变得很低，N 型 4H-SiC 半导体的载流子能量和半导体费米能级相近时的载流子以隧道越过势垒区，称为场发射。

另一种是载流子在 4H-SiC 半导体导带的底部隧道穿过势垒区较难，而且也不用穿过势垒，载流子获得较大的能量时，载流子碰见一个相对较薄且能量较小的势垒时，载流子的隧道越过势垒的几率快速增加，这称为热电子场发射。

基于此，肖特基几乎没有反向恢复过程，所以反向恢复速度极快。

SiC SBD 动态特性更接近理想二极管外，静态特性与硅二极管也有明显不同。

这分别是硅二极管与碳化硅肖特基二极管静态特性：

硅二极管有每升高1C，VFM 大体下降 2～3mV 规律，也就是二极管是正电阻特性的负温度 VF 元件，二折线动态电阻基本不随温度漂移。

这样，硅二极管随温度上升，静态压降损耗下降，开关损耗上升黑碳化硅，适合低频整流等场合。

SiC SBD 起始导通压降，也有随温度下降的特性，但二折线的动态电阻随温度上升而增加。即对于这款 SiC SBD，在额定电流 50％ 左右有近乎 “0” 温漂 VF 区间。在这个区间下，为负温度压降区；区间以上，为正温度压降区。

SiC SBD 静态损耗，有高温高效区、低温变区、正温度 VF 区三个部分。由于开关损耗几乎为零，SiC SBD 很容易按工程需要选择不同工作趋于。

比如：

▫ 利用高效区，可以实现高温环境下更低温升工作；

▫电源可以在高温下输出不打折或减免散热器提高效率；

▫零温漂区域，二极管温升随环境基本不变；

▫正温度区域，特别适合大功率并联使用。

物如其性。

作为莫氏硬度 7 的硅，二极管 V-I 曲线如微风拂草般飘逸，二折线等效电阻更是从中而过的中间线。

而莫氏硬度高达 9.5 的碳化硅，肖特基二极管 V-I 线如钢直爽，二折等效电阻几乎完全啮合。

这种特性也为各自计算通态损耗方法有了明显区别。

硅快恢复二极管与碳化硅 SBD 对比：

论是高温还是室温，SiC SBD 都显示出无与伦比的优势。不仅噪音幅值远低，且频谱也更趋集中于中心频带。

不同电流及温度，并未带来反向恢复电荷的增加，这与硅二极管有本质的区别。从另一侧面，从波形可以看出，频率不太高时，基本不用考虑因电流及频率而导致的开关损耗。

实际上，SiC SBD开关损耗，可以看作理想二极管上并联的理想小电容。即便结温达到150℃，也仍然保持这种特性。而这种电容充放电 (开关) 基本并不会引起 SBD 自身发热。

SiC FET 仍是由很多小 FET 并联而成。每个小 FET 结构示意如图：

同为高压应用的硅 IGBT 和高压 MOSFET，与此有明显区别。

IGBT 与 HV MOSFET 结构示意：

IGBT 和 MOSFET 的结构非常相似：

▪ 正面采用多晶硅与漂移区形成金属-氧化物-半导体结构，作为门极；

▪漂移区普遍采用 N 型掺杂的半导体来承受阻断电压；

▪门极施加正压（高于器件阈值电压）时，器件导通，通态电流在漂移区纵向流动。

区别主要在于：

▪IGBT 在漂移区背面有 P+ 注入作为集电极

▪ MOSFET 直接在 N 漂移区背面淀积金属作为漏极。

IGBT 背面的 P+ 决定了它是双极型器件。

▫在器件导通时，发射极注入电子，而集电极注入空穴，两种载流子均参与导电；

▫在器件关断时，多余的空穴只能在体内进行复合，从而造成拖尾电流，增加了关断损耗，限制了开关频率的提高。

▫在高温下，拖尾电流更加明显，造成更大的关断损耗。

目前 IGBT 能实现系统的开关频率均在 100kHz 以下。而 MOSFET 只依赖电子进行导电，关断时电子可以迅速被抽走，没有拖尾电流，因而关断损耗更小，且基本不随温度变化。

和最好的高速 IGBT 相比，SiC FET 开关损耗有多低？看看两者比较。

Q&A

为什么碳化硅有如此特性？

首先，碳化硅大约有硅材料八倍的耐压强度。理论上，只需要 1/8 承压长度，就可以获得与硅材料器件相同电压规格的 FET。

对于 MOSFET 来讲，沟道长度/耐压与 RDSON 是呈 3/2 次方关系。电压规格越高，RDSON 会极速上升。这也是高压 MOSFET RDSON 都比较大和电流规格比较低的原因。

而碳化硅品阶更高的电子迁移率和短的导电沟道，意味着跑的快还跑道短的只有 1/8，大约只需 1/10 时间就能跑完全程。

SiC 还有非常优秀的特制，能容忍两倍 Si 材质的空穴、电子参杂，所以本体电阻性压降比例远低于 Si MOSFET。

当然，世上没有十全十美的事。SiC 在形成 MOS (金属-氧化物-半导体) 结构的时候，SiC-SiO2 界面电荷密度要远大于 Si-SiO2，这样造成的后果就是 SiC 表面电子迁移率要远低于体迁移率，从而使沟道电阻远大于体电阻，成为器件通态比电阻大小的主要成分。

然而，表面电子迁移率在不同的晶面上有所区别。目前常见的 SiC MOSFET 有两种结构：长通型和阻断性。

最早的 SiC FET 就是长通型，顾名思义，平时就是导通的……就是上电短路型。

这上电炸鸡，咋能用哩？这也难不倒，再复合个管子，弄成复合结构即可，而最早工业化的 SiC FET 就是这样诞生的。

经过若干年发展，这种 SiC FET 已被淘汰，仅有保留少量产品，满足早先设计的产品和特殊场所。

另一个就是沟槽结构了，就是上面示意的那种，也是现在的主流产品结构。

所以，SiC FET 并没有象 Si MOSFET 那么多结构和种类。

同是高压应用，SiC 和 IGBT 通态损耗有啥区别呢？

1200V High Speed3 IGBT (IGW40N120H3)与 CoolSiC™ MOSFET (IMW120R045M1) 的输出特性对比。

常温下，两个器件在 40A 电流下的导通压降相同；

当小于 40A 时，CoolSiC™ MOSFET 显示出近乎电阻性的特性，而 IGBT 则在输出特性上有一个拐点，一般在 1V~2V，拐点之后电流随电压线性增长；

当负载电流为 15A 时，在常温下，CoolSiC™的正向压降只有 IGBT 的一半；

在 175℃ 结温下，CoolSiC™ MOSFET 的正向压降约是 IGBT 的 80%；

在实际器件设计中，CoolSiC™ MOSFET 比 IGBT 具有更低的导通损耗。

前面已经比较了硅快恢复与碳化硅肖特基的特性。而作为碳化硅 MOSFET 的寄生二极管与它们有有多大差异呢？

用 1200V SiC FET 与 650V 最好的 SiC 肖特基对比看看！

CoolSiC™ MOSFET 的本征二极管有着和 SiC 肖特基二极管类似的快恢复特性。25℃时，它的 Qrr 和相同电流等级的 G5 SiC 二极管近乎相等。

然而，反向恢复时间及反向恢复电荷都会随结温的增加而增加。从图4(a)中我们可以看出，当结温为 175℃ 时，CoolSiC™ MOSFET 的 Qrr 略高于 G5 肖特基二极管。图4(b)比较了 650V 41mΩ Si MOSFET 本征二极管和 CoolSiC™ MOSFET 本征二极管的性能。

在常温及高温下，1200V CoolSiC™ MOSFET 体二极管仅有 Si MOSFET 体二极管 Qrr 的10%。

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