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碳化硅功率器件及應用

作者:海飛樂技術 時間:2018-08-06 17:26

  碳化硅(SiC)半導體材料是自第一代元素半導體材料(Si南方彩票平台、Ge)和第二代化合物半導體材料(GaAs、GaP、InP等)之后發展起來的第三代半導體材料南方彩票平台。作為一種寬禁帶半導體材料,碳化硅具有禁帶寬度大南方彩票平台、擊穿場強高、熱導率大、載流子飽和漂移速度高南方彩票平台、介電常數小、抗輻射能力強南方彩票平台南方彩票平台、化學穩定性良好等特點南方彩票平台,可以用來制造各種耐高溫的高頻大功率器件,應用于硅器件難以勝任的場合,或在一般應用中產生硅器件難以產生的效果。
 
  1. 碳化硅材料的特點
  SiC材料的一個顯著特點是同質多型,制作器件最常用的是4H-SiC和6H-SiC兩種。如表1所示,和傳統的半導體材料,如Si、GaAs等相比,SiC材料具有更高的熱傳導率(3~13倍),使得SiC器件可以在高溫下長時間穩定工作;更高的臨界擊穿電場(4~20倍)和更大的載流子飽和速率,有利于提高器件的工作頻率。

表1 不同半導體材料的特性對比
不同半導體材料的特性對比 
 
  2. SiC材料制備
  SiC單晶的制備最常用的方法是物理氣相傳輸(PVT),大約占晶圓供應量的90%以上。此外南方彩票平台,高溫化學氣相淀積(CVD)也越來越重要,該方法能產生極低雜質含量的晶錠。同時南方彩票平台,這兩種方法均可應用于制備SiC外延南方彩票平台。20世紀50年代Lely使用兩層石墨舟,使外層的坩堝加熱到2500℃,SiC透過里層的多空石墨升華進入內層形成晶體。70年代后期南方彩票平台,Tairrov和Tsvetkov對Lely法進行了改進,SiC源在石墨舟的底部,底部溫度達2200℃,頂部溫度較低并放置籽晶,溫度梯度為20~40℃/cm南方彩票平台,這種方法又稱為PVT。
 
  由于SiC單晶的制備難度較大,成本高,因此SiC外延生長在SiC器件技術中舉足輕重。對于不同的襯底,生長SiC外延可以分為兩種:以SiC為襯底的同質外延生長和以Si和藍寶石為襯底的異質外延生長。自從較大直徑的SiC晶片商業化后,SiC同質外延生長技術發展很快,SiC同質外延生長主要采用以下方法:升華或物理氣相傳輸(PVT)、分子束外延(MBE)、液相外延(LPE)及化學氣相淀積(CVD)。
 
  分子束外延法將原材料進行蒸發并作為分子束進行傳輸南方彩票平台,最后到達經過預熱、處于旋轉狀態的襯底。這種方法可以提供高純質量、高精準厚度南方彩票平台、低溫(600~1200℃)的外延層南方彩票平台。液相外延是一種相對比較簡單而且成本較低的生長方法,生長發生在三相平衡線上,但這種方法對外延層表面形貌難以進行很好地控制,進而限制了LPE的使用。
 
  化學氣相淀積法中,襯底放在旋轉同時被加熱的石墨托盤上南方彩票平台,氣相的分子束擴散到襯底表面并分解,由襯底表面吸收后與表面反應,形成外延層。這種方法目前是SiC襯底生產的主要外延工藝。
 
  3. SiC功率器件及應用
  SiC功率器件主要包括功率二極管(SBD和PiN等)、單極型功率晶體管(MOSFET、JFET和SIT等)和雙極型載流子功率晶體管(BJT和GTO等)。
 
  3.1 功率二極管
  肖特基勢壘二極管(SBD)作為一種單極性器件南方彩票平台南方彩票平台,在導通過程中沒有額外載流子注入和儲存,因而基本沒有反向恢復電流,其關斷過程很快,開關損耗很小。由于碳化硅材料的臨界雪崩擊穿電場強度較高,可以制作出超過1000V的反向擊穿電壓。在3kV以上的整流器應用領域南方彩票平台,由于SiC PiN二極管與Si器件相比具有更快的開關速度、高結溫承受能力南方彩票平台、高電流密度和更高的功率密度,SiC PiN二極管在電力設備、能量儲備、超高壓固態電源領域扮演更重要的角色。
 
  3.2 單極型功率晶體管
  碳化硅MOSFET的突出優勢體現在:導通電阻心戏讲势逼教??;低電容南方彩票平台,開關速度快;驅動電路簡單;正溫度系數易于并聯。因而,應用碳化硅MOSFET能夠提高系統的效率,降低散熱需求,提高開關頻率且增加雪崩強度南方彩票平台。這些優勢決定了其在太陽能轉換器、高壓DC/DC變換器和電機驅動等領域中具有廣闊的應用。由于SiC MOSFET存在溝道電子遷移率和SiO2層擊穿的問題,因此作為沒有肖特基接觸和MOS界面的單極器件SiC JFET就很有吸引力。SiC JFET有著優良的特性和結構和相對簡化的制造工藝。SiC JFET產品分為常開溝道型(normally-on)和常閉溝道型(normally-off)兩種,其中常閉溝道型能夠與現有的標準柵極驅動芯片相匹配,而常開溝道型則需要負壓維持關斷狀態。SIT(靜電感應晶體管),主要用于從超高頻到微波頻率的大功率放大器和發射器南方彩票平台、電源調節設備中的大功率轉換。
 
  3.3 雙極型載流子功率晶體管
  SiC雙極型功率器件BJT因SiC臨界雪崩擊穿電場強度是Si的10倍,而比Si BJT的二次擊穿臨界電流密度高100倍,不會有Si BJT那樣嚴峻的二次擊穿問題南方彩票平台,此外,臨界雪崩擊穿電場強度高這一材料優勢也使SiC BJT在相同的阻斷電壓下可比Si BJT有較窄的基區和集電區,這對提高電流增益β和開關速度十分有利,SiC BJT主要分為外延發射極和離子注入發射極BJT,典型的電流增益在10~50之間南方彩票平台。與碳化硅功率MOS相比,對3kV以上的阻斷電壓,碳化硅晶閘管的通態電流密度可以提高幾個數量級,特別適合高壓大電流開關方面的應用。對碳化硅晶閘管的開發主要集中于GTO,目前阻斷電壓最大的GTO器件,阻斷電壓為12.7kV。
 
  4. 結束語
  SiC材料的優良特性及SiC功率器件的巨大性能優勢南方彩票平台,激勵著人們不斷地研究與開發,隨著大尺寸SiC晶圓生長技術和器件制造技術的的發展,SiC功率器件將在民用和軍事方面得到更廣泛的應用。




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