SiC器件究竟比Si器件强在哪？

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电力电子行业的工程师们近几年一定被SiC这种半导体材料的功率器件刷屏了。笔者曾使用过SiC器件，因而进行过一番研究，下面叙述一些笔者对SiC及SiC器件的认识，给各位做个参考。


SiC及SiC功率器件
目前较为普遍的功率元件利用的是Si二极管、MOSFET及IGBT等晶体管。然而功率半导体材料正受到来自新一代材料SiC浪潮的冲击。这种材料作为凌驾于现有的Si材料之上的“节能王牌”而受到电力公司、汽车厂商及电机厂商等的莫大期待。通过将Si替换成SiC化合物半导体，使采用Si功率半导体元件无法实现的高效率及小型化成为可能。


SiC功率器件是怎么影响电气产品的
SiC由于独特晶体结构, 其禁带宽度达到2.2eV（2C-SiC）、3.3eV（3H-SiC），远高于GaAs（1.4eV）和Si（1.1eV）。宽禁带电力电子器件SiC具有以下特点及优势：

1）工作温度很高，理论结温值可达600℃，从而器件的冷却系统可大为简化。

2）SiC热导率高，达4.9W/cm℃，远远高于大多数半导体，室温时几乎高于所有金属，优势明显。

3）SiC硬度高于GaAs和Si，达到9级，仅次于金刚石；便于器件实施高密度、大功率集成。

4） 电子饱和漂移速度高，达到2x107cm/s（SiC），适于高频工作。

5） 击穿电场高达2x106V/cm（3H-SiC）为Si的8倍，能够实现高工作电压。

6）SiC的掺杂浓度可达1019/cm3，能够实现高电流密度。

7）本征载流子浓度低，（3H-SiC）为8.2x10-9cm3，便于管芯隔离。

8）抗辐照能力比GaAs和Si高1~2个数量级，开关损耗则低1~2个数量级。


图1所示为SiC功率器件对产品效率的影响统计图。据大量实验数据统计，在电力电子变换器中，仅将二极管替换为SiC二极管，变换器的损耗将下降15%~30%。若同时采用SiC二极管和SiC MOSFET，变换器的损耗将降低50%左右。