本文主要介紹碳化矽二極體的應用領域與發展歷程，並詳細闡述碳化矽MOS管的分類與結構。碳化矽（SiC）是矽和碳的唯一成分，俗稱金剛砂。碳化矽在自然界中以莫桑石礦物的形式存在，但非常稀少。然而，自1893年以來，碳化矽粉末作為磨料已被大量生產。碳化矽作為磨料的應用已有一百多年的歷史，主要用於砂輪和其他多種磨料應用。



「碳化矽在達到閾值電壓（VT）之前具有很高的電阻。當達到閾值電壓時，其電阻會顯著降低，直到施加的電壓降至閾值電壓以下。碳化矽最早利用這一特性的電氣應用是配電系統中的避雷器（如圖所示）。


由於碳化矽（SiC）具有壓敏電阻，其電極桿可連接在高壓線和接地之間。當輸電線路遭受雷擊時，電源電壓會升高並超過碳化矽避雷器的閾值電壓（VT），從而將雷電流導向接地線（而不是輸電線路），避免造成損害。但是，這些碳化矽避雷器在輸電線路的正常工作電壓下會傳導通過大的電流。因此，必須將火花隙串聯起來。當輸電線路電壓因雷擊而升高時，火花隙會電離並導電，從而有效地將碳化矽避雷器連接在輸電線路和接地之間。後來，相關人員發現該避雷器所使用的火花隙並不可靠。由於材料失效、灰塵或鹽分侵入等原因，火花隙可能在需要時無法觸發電弧，或在雷擊後無法熄滅電弧。碳化矽避雷器最初設計的目的是為了消除對火花間隙的依賴，但由於其可靠性，帶間隙的碳化矽避雷器大多已被氧化鋅芯無間隙壓敏電阻所取代。

功率電子學中的碳化矽

碳化矽可用於製造多種半導體裝置，包括肖特基二極體（也稱為肖特基勢壘二極體或SBD）、J型場效電晶體（JFET）以及用於高功率開關應用的場效電晶體。一些公司已開始嘗試將碳化矽肖特基二極體裸晶片應用於功率電子模組。事實上，矽基板已被廣泛應用於IGBT功率模組和功率因數校正電路中。

碳化矽的優點和缺點

碳化矽功率電子元件之所以如此吸引人，原因之一在於，在相同的阻斷電壓下，其摻雜濃度幾乎是矽基元件的百倍。這樣一來，便可實現高阻斷電壓和低導通電阻。低導通電阻對於高功率應用至關重要，因為導通電阻降低後，產生的熱量也會減少，從而降低系統的熱負載，提高整體效率。



然而，碳化矽基電子元件的生產存在一些難題，其中缺陷的消除已成為最重要的問題。這些缺陷會導致碳化矽晶體裝置的反向勢壘性能較差。除了晶體品質問題外，二氧化矽與碳化矽之間的界面問題也阻礙了碳化矽基功率MOSFET和絕緣柵雙極晶體的發展。幸運的是，採用氮化技術可以顯著減少導致這些界面問題的缺陷。

碳化矽磨料盤

碳化矽至今仍是許多工業應用中的磨料。在電子行業，它主要用作拋光膜，用於在光纖熔接前拋光光纖兩端。這可以使光纖連接器表面高度光滑，從而提高其運作效率。碳化矽的生產歷史已超過百年，但直到最近才開始應用於電力電子產業。由於其特殊的物理和電氣性能，它在高壓和高溫應用中非常有效。



如今，碳化矽二極體已應用於各個領域。



1. 太陽能逆變器。



碳化矽二極體是太陽能二極體的基礎材料，在各項技術指標上均優於一般雙極型二極體。碳化矽二極體開關速度極快，且採用普通雙極型二極體技術時不存在反向恢復電流。消除反向恢復電流後，碳化矽二極體可降低70%的能耗，並可在較寬的溫度範圍內保持高能效，為設計人員優化系統工作頻率提供了更大的靈活性。



2. 新能源汽車充電器。



通過汽車產品測試後，碳化矽二極體的擊穿電壓提升至650伏，滿足了設計人員和汽車製造商降低電壓補償係數的要求，從而確保車載可充電半導體元件的標稱電壓與瞬時峰值電壓之間有足夠的安全裕度。雙管二極體產品最大限度地利用了空間，並減輕了車載充電器的重量。

3. 開關電源的優點。

碳化矽開關元件具有極快的響應速度、高頻工作能力、零恢復特性以及不受溫度影響的特性。採用我們低電感RP封裝，這些二極體可用於各種快速開關二極體電路或高頻轉換器。



4. 產業優勢。



碳化矽二極體：主要用於重型馬達及工業設備的高頻功率變換器，具有效率高、功率大、頻率高等優點。

SiC器件

首先，將SiC裝置進行分類。



碳化矽金屬氧化物半導體場效電晶體。



碳化矽場效電晶體是碳化矽功率電子元件研究中最受關注的裝置。如今，矽材料的性能已接近理論極限，而碳化矽功率裝置因其高耐壓、低損耗和高效率而被視為「理想裝置」。然而，與以往的矽元件相比，如何在性能與成本之間取得平衡，以及滿足高技術需求，將是推動碳化矽功率裝置發展的關鍵。



其次，碳化矽MOS的結構。



N+源區與金屬氧化物半導體場效電晶體採用離子注入法進行N+摻雜，並在1700℃下退火。另一個關鍵製程是形成碳化矽金屬氧化物半導體閘極氧化層。由於碳化矽中同時含有矽原子和碳原子，因此需要一種非常特殊的閘極介質生長方法。溝槽結構的優點如下：



碳化矽場效電晶體的溝槽結構可以充分發揮碳化矽的特性。



第三，碳化矽MOS的優勢。



一般來說，矽基IGBT只能在20kHz以下的頻率工作。由於材料限制，無法實現高壓高頻的矽元件。碳化矽MOSFET不僅適用於600V至10kV的寬電壓範圍，還具有單極元件優異的開關性能。與矽基IGBT相比，碳化矽場效電晶體在開關電路中無電流拖尾的情況下，具有更低的開關損耗和更高的工作頻率。



20kHz碳化矽MOSFET模組的損耗僅為3kHz矽IGBT模組的一半，50A碳化矽模組可取代150A矽模組。這充分展現了碳化矽金屬氧化物半導體場效電晶體在工作頻率和效率上的巨大優勢。



碳化矽 MOSFET 的寄生體二極體反向恢復時間 trr 和反向恢復電荷 Qrr 非常小。如圖所示，碳化矽 MOSFET 的寄生二極體反向電荷僅為相同電壓規格的矽基 MOSFET 反向電荷的 5%。對於橋式電路（尤其是在 LLC 變換器工作頻率高於諧振頻率時），此指標對於降低死區時間和體二極體反向恢復引起的損耗和雜訊至關重要，並有助於提高開關頻率。



第四，碳化矽MOS管的應用！



碳化矽MOSFET模組在光伏發電、風力發電、電動車和軌道運輸等中高功率系統應用上具有顯著優勢。碳化矽元件的高電壓、高頻和高效率等優點能夠突破現有電動車設計中裝置性能的限制，這也是國內外電動車領域研發的重點。例如，電裝和豐田共同開發的混合動力車（HEV）和純電動車（EV）中的功率控制單元（PCU）就採用了碳化矽MOSFET模組，從而將體積縮小了1/5。三菱開發的電動車馬達驅動系統也採用了SiCMOSFET模組將功率驅動模組整合到馬達中，實現了整合和小型化的目標。預計碳化矽MOSFET模組將在近年來在國內外電動車領域廣泛應用。


無錫國晶微半導體科技有限公司是一家致力於碳化矽（SiC）功率元件、氮化鎵（GaN）光電元件及傳統積體電路研發、生產和產業化的高新技術創新企業。本公司專注於碳化矽場效電晶體的研究，並從事碳化矽肖特基二極體、GaN光耦合繼電器、單晶片積體電路等產品晶片的設計、生產和銷售，同時提供相關產品整體解決方案設計服務。公司總部位於江蘇省無錫市高新技術開發區，並在深圳和香港設有研發中心、銷售服務中心和辦事處。



本公司生產的碳化矽功率元件涵蓋650V/2A-100A、1200V/2A-90A、1700V/5A-80A等多個系列，產品已實現量產，品質與水準完全可與國際知名品牌媲美。該公司先後推出全電流、全電壓碳化矽肖特基二極體和碳化矽MOSFET系列產品，並通過了工業級和汽車級可靠性測試，性能達到國際先進水平。產品廣泛應用於太陽能逆變器電源、新能源電動車及充電樁、智慧電網、高頻焊接、軌道運輸、工業控制專用電源、國防軍工等領域。由於其具有高速開關和低導通電阻的特性，即使在高溫條件下也能展現出優異的電氣性能，大幅降低開關損耗，使裝置更小、更輕、更高效，從而提升整個系統的可靠性。電動車的最大續航里程可減少 10%，整車重量可減輕約 5%，並且在設計使用的充電樁高溫環境下可實現安全穩定的運作。



本公司核心研發團隊的工程師大多擁有碩士及以上學歷，其中多位博士負責專案開發。本公司已建立規範化的科技創新及智慧財產權管理體系，在電路設計、半導體元件及製程設計、可靠性設計、裝置模型提取等領域累積了多項核心技術，並擁有多項國內外自主發明專利。

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