本文主要介绍碳化硅二极管的应用领域和发展历程，并详细阐述碳化硅MOS管的分类和结构。碳化硅（SiC）是硅和碳的唯一成分，俗称金刚砂。碳化硅在自然界中以莫桑石矿物的形式存在，但非常稀少。然而，自1893年以来，碳化硅粉末作为磨料已被大量生产。碳化硅作为磨料的应用已有一百多年的历史，主要用于砂轮和其他多种磨料应用。



“碳化硅在达到阈值电压（VT）之前具有很高的电阻。当达到阈值电压时，其电阻会显著降低，直到施加的电压降至阈值电压以下。碳化硅最早利用这一特性的电气应用是配电系统中的避雷器（如图所示）。


由于碳化硅（SiC）具有压敏电阻，其电极杆可以连接在高压线和地之间。当输电线路遭受雷击时，电源电压会升高并超过碳化硅避雷器的阈值电压（VT），从而将雷电流导向地线（而不是输电线路），避免造成损害。但是，这些碳化硅避雷器在输电线路的正常工作电压下会导通过大的电流。因此，必须将火花隙串联起来。当输电线路电压因雷击而升高时，火花隙会电离并导电，从而有效地将碳化硅避雷器连接在输电线路和地之间。后来，相关人员发现该避雷器使用的火花隙并不可靠。由于材料失效、灰尘或盐分侵入等原因，火花隙可能在需要时无法触发电弧，或者在雷击后无法熄灭电弧。碳化硅避雷器最初设计的目的是为了消除对火花间隙的依赖，但由于其可靠性，带间隙的碳化硅避雷器大多已被氧化锌芯无间隙压敏电阻所取代。

功率电子学中的碳化硅

碳化硅可用于制造多种半导体器件，包括肖特基二极管（也称肖特基势垒二极管或SBD）、J型场效应晶体管（JFET）以及用于高功率开关应用的场效应晶体管。一些公司已开始尝试将碳化硅肖特基二极管裸芯片应用于功率电子模块。事实上，硅衬底已被广泛应用于IGBT功率模块和功率因数校正电路中。

碳化硅的优点和缺点

碳化硅功率电子元件之所以如此吸引人，原因之一在于，在相同的阻断电压下，其掺杂浓度几乎是硅基器件的百倍。这样一来，便可实现高阻断电压和低导通电阻。低导通电阻对于高功率应用至关重要，因为导通电阻降低后，产生的热量也会减少，从而降低系统的热负载，提高整体效率。



然而，碳化硅基电子元件的生产存在一些难题，其中缺陷的消除已成为最重要的问题。这些缺陷会导致碳化硅晶体器件的反向势垒性能较差。除了晶体质量问题外，二氧化硅与碳化硅之间的界面问题也阻碍了碳化硅基功率MOSFET和绝缘栅双极晶体的发展。幸运的是，采用氮化技术可以显著减少导致这些界面问题的缺陷。

碳化硅磨料盘

碳化硅至今仍是许多工业应用中的磨料。在电子行业，它主要用作抛光膜，用于在光纤熔接前抛光光纤两端。这可以使光纤连接器表面高度光滑，从而提高其运行效率。碳化硅的生产历史已超过百年，但直到最近才开始应用于电力电子行业。由于其特殊的物理和电学性能，它在高压和高温应用中非常有效。



如今，碳化硅二极管已应用于各个领域。



1. 太阳能逆变器。



碳化硅二极管是太阳能二极管的基础材料，在各项技术指标上均优于普通双极型二极管。碳化硅二极管开关速度极快，且采用普通双极型二极管技术时不存在反向恢复电流。消除反向恢复电流后，碳化硅二极管可降低70%的能耗，并可在较宽的温度范围内保持高能效，从而为设计人员优化系统工作频率提供了更大的灵活性。



2. 新能源汽车充电器。



通过汽车产品测试后，碳化硅二极管的击穿电压提升至650伏，满足了设计人员和汽车制造商降低电压补偿系数的要求，从而确保车载可充电半导体元件的标称电压与瞬时峰值电压之间有足够的安全裕度。双管二极管产品最大限度地利用了空间，并减轻了车载充电器的重量。

3. 开关电源的优点。

碳化硅开关器件具有极快的响应速度、高频工作能力、零恢复特性以及不受温度影响的特性。采用我们低电感RP封装，这些二极管可用于各种快速开关二极管电路或高频转换器。



4. 产业优势。



碳化硅二极管：主要用于重型电机和工业设备的高频功率变换器，具有效率高、功率大、频率高等优点。

SiC器件

首先，对SiC器件进行分类。



碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管。



碳化硅场效应晶体管是碳化硅功率电子器件研究中最受关注的器件。如今，硅材料的性能已接近理论极限，而碳化硅功率器件因其高耐压、低损耗和高效率而被视为“理想器件”。然而，与以往的硅器件相比，如何在性能与成本之间取得平衡，以及满足高技术需求，将是推动碳化硅功率器件发展的关键。



其次，碳化硅MOS的结构。



N+源区和金属氧化物半导体场效应晶体管采用离子注入法进行N+掺杂，并在1700℃下退火。另一个关键工艺是形成碳化硅金属氧化物半导体栅极氧化层。由于碳化硅中同时含有硅原子和碳原子，因此需要一种非常特殊的栅极介质生长方法。沟槽结构的优点如下：



碳化硅场效应晶体管的沟槽结构可以充分发挥碳化硅的特性。



第三，碳化硅MOS的优势。



一般来说，硅基IGBT只能在20kHz以下的频率下工作。由于材料限制，无法实现高压高频的硅器件。碳化硅MOSFET不仅适用于600V至10kV的宽电压范围，而且还具有单极器件优异的开关性能。与硅基IGBT相比，碳化硅场效应晶体管在开关电路中无电流拖尾的情况下，具有更低的开关损耗和更高的工作频率。



20kHz碳化硅MOSFET模块的损耗仅为3kHz硅IGBT模块的一半，50A碳化硅模块可以替代150A硅模块。这充分展现了碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管在工作频率和效率方面的巨大优势。



碳化硅 MOSFET 的寄生体二极管反向恢复时间 trr 和反向恢复电荷 Qrr 非常小。如图所示，碳化硅 MOSFET 的寄生二极管反向电荷仅为相同电压规格的硅基 MOSFET 反向电荷的 5%。对于桥式电路（尤其是在 LLC 变换器工作频率高于谐振频率时），该指标对于降低死区时间和体二极管反向恢复引起的损耗和噪声至关重要，并有助于提高开关频率。



第四，碳化硅MOS管的应用！



碳化硅MOSFET模块在光伏发电、风力发电、电动汽车和轨道交通等中高功率系统应用中具有显著优势。碳化硅器件的高电压、高频和高效率等优点能够突破现有电动汽车设计中器件性能的限制，这也是国内外电动汽车领域研发的重点。例如，电装和丰田联合开发的混合动力汽车（HEV）和纯电动汽车（EV）中的功率控制单元（PCU）就采用了碳化硅MOSFET模块，从而将体积缩小了1/5。三菱开发的电动汽车电机驱动系统也采用了SiCMOSFET模块将功率驱动模块集成到电机中，实现了集成化和小型化的目标。预计碳化硅MOSFET模块将在近年来在国内外电动汽车领域得到广泛应用。


无锡国晶微半导体科技有限公司是一家致力于碳化硅（SiC）功率器件、氮化镓（GaN）光电器件及传统集成电路研发、生产和产业化的高新技术创新型企业。公司专注于碳化硅场效应晶体管的研究，并从事碳化硅肖特基二极管、GaN光耦合继电器、单芯片集成电路等产品芯片的设计、生产和销售，同时提供相关产品整体解决方案设计服务。公司总部位于江苏省无锡市高新技术开发区，并在深圳和香港设有研发中心、销售服务中心和办事处。



公司生产的碳化硅功率器件涵盖650V/2A-100A、1200V/2A-90A、1700V/5A-80A等多个系列，产品已实现量产，品质和水平完全可与国际知名品牌媲美。公司先后推出全电流、全电压碳化硅肖特基二极管和碳化硅MOSFET系列产品，并通过了工业级和汽车级可靠性测试，性能达到国际先进水平。产品广泛应用于太阳能逆变器电源、新能源电动汽车及充电桩、智能电网、高频焊接、轨道交通、工业控制专用电源、国防军工等领域。由于其具有高速开关和低导通电阻的特性，即使在高温条件下也能展现出优异的电气性能，大幅降低开关损耗，使器件更小、更轻、更高效，从而提升整个系统的可靠性。电动汽车的最大续航里程可减少 10%，整车重量可减轻约 5%，并且在设计使用的充电桩高温环境下可实现安全稳定的运行。



公司核心研发团队的大部分工程师拥有硕士及以上学历，其中多位博士负责项目开发。公司已建立规范化的科技创新和知识产权管理体系，在电路设计、半导体器件及工艺设计、可靠性设计、器件模型提取等领域积累了多项核心技术，并拥有多项国内外自主发明专利。

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