碳化硅MOSFET
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2021-09-18
碳化硅MOSFET的實例教程
為了解決這個問題碳化硅MOSFET 產(chǎn)品CoolSiC采用了不同的門極結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)稱為溝槽型（Trench）碳化硅MOSFET，其門極結(jié)構(gòu)如圖10所示。采用此結(jié)構(gòu)后，碳化硅MOSFET的通道電阻不再與門極氧化層強相關(guān)，那么可以在保證門極高靠可行性同時導(dǎo)通電阻仍舊可以做到極低。
圖9：平面型碳化硅MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖
圖10：CoolSiC溝槽型門極結(jié)構(gòu)
碳化硅MOSFET的特性
與氮化鎵晶體管類似，碳化硅MOSFET同樣具有導(dǎo)通電阻小，寄生參數(shù)小等特點，另外其體二極管特性也比硅MOSFET大為提升。圖11是英飛凌碳化硅650V 耐壓MOSFET CoolSiC與目前業(yè)界體二極管性能最好的硅材料功率MOSFET CoolMOS CFD7的兩項主要指標(biāo)RDS(on)*Qrr和RDS(on)*Qoss的對比，前一項是衡量體二極管反向恢復(fù)特性的指標(biāo)，后一項是衡量MOSFET輸出電容上存儲的電荷量的指標(biāo)。這兩項數(shù)值越小，表明反向恢復(fù)特性越好，存儲的電荷越低（軟開關(guān)拓撲中，半橋結(jié)構(gòu)上下功率管所需要的死區(qū)越短）。可以看出，碳化硅MOSFET相比相近導(dǎo)通電阻的硅MOSFET，反向恢復(fù)電荷只有1/6左右，輸出電容上的電荷只有1/5左右。
展開 碳化硅 MOSFET結(jié)構(gòu)及其特性
碳化硅MOSFET的結(jié)構(gòu)
常見的平面型
(Planar)
碳化硅MOSFET的結(jié)構(gòu)如圖9所示。為了減小通道電阻，這種結(jié)構(gòu)通常設(shè)計為很薄的門極氧化層，由此帶來在較高的門極輸入電壓下門極氧化層的可靠性風(fēng)險。為了解決這個問題碳化硅MOSFET 產(chǎn)品CoolSiC采用了不同的門極結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)稱為溝槽型
（Trench）
碳化硅MOSFET，其門極結(jié)構(gòu)如圖10所示。采用此結(jié)構(gòu)后，碳化硅MOSFET的通道電阻不再與門極氧化層強相關(guān)，那么可以在保證門極高靠可行性同時導(dǎo)通電阻仍舊可以做到極低。
展開 碳化硅MOSFET
碳化硅MOSFET具有正向?qū)娮璧汀㈤_關(guān)速度快、驅(qū)動電路筒單等優(yōu)點。碳化硅MOSFET的漂移區(qū)相對較薄，它的正向?qū)娮璧停瑢?dǎo)通損耗也小。由于正向電阻小,所以相較于傳統(tǒng)硅IGBT，在相同的耐壓和導(dǎo)流能力條件下碳化硅MOSFET的面積可以更小，從而其結(jié)電容也更小（相對介電常數(shù)：碳化硅9.66，硅11.9，＠300K），較小的結(jié)電容使得器件的開關(guān)速度更快。
碳化硅MOSFET是電壓型驅(qū)動器件，驅(qū)動功耗較低，而柵氧結(jié)構(gòu)讓它的柵極輸入阻抗極大，所以碳化硅MOSFET的驅(qū)動電路相對筒單，并且從電路拓撲上來說傳統(tǒng)硅IGBT的驅(qū)動電路可以直接驅(qū)動碳化硅MOSFET，所以碳化硅功率MOSFET被視為硅IGBT的最理想替代品。
碳化硅MOSFET的工作原理可以用圖2.3中的垂直型DMOS來說明。
當(dāng)柵源之間存在正偏壓，并且高于閾值電壓時，柵極下方在SiC表面形成了反型溝道，從源極到漏極形成了導(dǎo)電通路，MOSFET導(dǎo)電通路的等效電阻由如圖2.3中所示的幾個部分等效電阻串聯(lián)組成。
當(dāng)柵源之間短路或者在柵源之間施加反偏電壓時，溝道被斷開，源極到漏極的電流通路不復(fù)存在，漏源之間開始具備承受高電壓應(yīng)力的條件。
展開 “超節(jié)功率MOS管”應(yīng)為?超結(jié)功率MOS管?（Super Junction MOSFET），是一種專為高壓大功率應(yīng)用優(yōu)化的功率半導(dǎo)體器件。其核心創(chuàng)新在于通過?電荷平衡結(jié)構(gòu)?突破傳統(tǒng)硅器件的“硅極限”（即耐壓與導(dǎo)通電阻之間的權(quán)衡關(guān)系）。
超結(jié)MOS管的工作原理
采用?P柱（P-type pillar）與N柱（N-type pillar）交替排列?的超結(jié)結(jié)構(gòu)，替代傳統(tǒng)MOSFET中單一的N型漂移區(qū)。P柱和N柱的摻雜濃度和電荷量相互補償，實現(xiàn)?體電荷平衡?（即總正負電荷近似相等）。
在傳統(tǒng)MOSFET中，耐高壓需加厚低摻雜漂移區(qū)，導(dǎo)致導(dǎo)通電阻（RDS(on)）很高。關(guān)斷狀態(tài)?：漏源間加高電壓時，P柱與N柱形成的耗盡區(qū)擴展并相互貫穿，實現(xiàn)高耐壓。導(dǎo)通狀態(tài)?：柵極施加足夠電壓（VGS > Vth）形成N型溝道，電子從源極流向漏極；由于超結(jié)結(jié)構(gòu)降低了漂移區(qū)電阻，導(dǎo)通損耗顯著減小。
工采電子代理的N型碳化硅MOSFET - SCF80R450XTH是一款基于XLW先進的設(shè)計理念及寬帶隙材料的獨特特性，我們的碳化硅功率MOSFET具備低導(dǎo)通電阻、低柵極電荷、低Qrr值以及卓越的熱性能。該器件專為將導(dǎo)通損耗降至較低而設(shè)計，同時確保開關(guān)性能優(yōu)異，且?guī)缀醪皇軠囟茸兓挠绊憽?此外，我們的碳化硅功率MOSFET具有高可靠性和極高的效率，其開發(fā)旨在提升終端應(yīng)用的性能，特別是在工作頻率、能效、可靠性以及系統(tǒng)尺寸和重量的減小方面。
展開 圖1：硅、碳化硅，氮化鎵三種材料關(guān)鍵特性對比
由于具有以上優(yōu)異的特性，氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET正越來越多的被應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，且將被更大規(guī)模的應(yīng)用。圖2是IHS Markit給出的這兩種功率半導(dǎo)體應(yīng)用領(lǐng)域及其銷售額預(yù)測。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET的銷售額也將隨之大幅度增長。圖3是IHS Markit提供的這兩種功率半導(dǎo)體銷售量預(yù)測。
圖2：氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET應(yīng)用領(lǐng)域及銷售額預(yù)測
圖3：氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET銷售額預(yù)測
在本文的第2章，將對氮化鎵晶體管的結(jié)構(gòu)和特性，特別是英飛凌科技有限公司的氮化鎵晶體管產(chǎn)品進行詳細的介紹。第3章將對碳化硅MOSFET的結(jié)構(gòu)和特性特別是英飛凌科技有限公司的碳化硅MOSFET產(chǎn)品進行詳細的介紹。
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碳化硅MOSFET的最新內(nèi)容
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此外，其還通過幫助提高工業(yè)電源和可持續(xù)能源應(yīng)用的效率、性能和可靠性，助力支持ST第三代碳化硅MOSFET在其他市場取得成功。
意法半導(dǎo)體研發(fā)CAD和建模經(jīng)理Gaetano Bazzano表示：“Ansys仿真使我們能夠在汽車之外的應(yīng)用領(lǐng)域進行擴展。
聯(lián)合電子
? 技術(shù)路線：博世第五代 800V逆變器+碳化硅MOSFET ，系統(tǒng)效率峰值 93.6%。
? 客戶：奔馳MMA 、大眾SSP 、廣汽埃安昊鉑。
4）. 特斯拉
? 技術(shù)：3D6 后驅(qū)電機采用 10 極 12 槽+碳纖維綁扎，轉(zhuǎn)子線速度 250 m/s， 峰值轉(zhuǎn)速 19000 rpm。
瑞森半導(dǎo)體高壓MOS系列采用新型的橫向變摻雜技術(shù)，以專有的功率MOS結(jié)構(gòu)，高溫特性優(yōu)良，同時極大提升了產(chǎn)品的雪崩能量和抗浪涌能力；
碳化硅基功率器件包括碳化硅SBD和碳化硅MOSFET，產(chǎn)品涵蓋650V-1200V-1700V，3300V產(chǎn)品系列在開發(fā)中；已實現(xiàn)全球銷售，SiC 產(chǎn)品系列完全可實現(xiàn)國產(chǎn)替代。
早在2018年，特斯拉率先在Model3的主驅(qū)逆變器里，使用基于碳化硅材料的碳化硅MOSFET，以替代傳統(tǒng)的硅基IGBT，此舉引發(fā)了行業(yè)震動。
碳化硅器件憑借體積小、性能優(yōu)越、節(jié)能性強，還順帶緩解了續(xù)航問題，一舉成為新能源車的當(dāng)紅炸子雞，一眾車企后續(xù)紛紛效仿。
全球眾多汽車廠商在新能源電動汽車車型上，大都采用了或者準(zhǔn)備采用氮化硅陶瓷基板升級碳化硅二極管、碳化硅MOSFET，以及由碳化硅二極管與碳化硅MOSFET構(gòu)成的SiC功率模塊等碳化硅功率器件。
未來幾年，平面型MOSFET技術(shù)依然是車用碳化硅MOSFET的主流。基于平面柵結(jié)構(gòu)，派恩杰已經(jīng)發(fā)布了650V-1700V各個電壓平臺的SiC MOSFET，而且已經(jīng)順利在新能源龍頭企業(yè)批量供貨，實現(xiàn)“上車”。
至于未來國產(chǎn)SiC廠商何時要“挖溝”目前還不好說。但即使要邁向溝槽柵結(jié)構(gòu)，對國內(nèi)廠商而言也不是易事，如上文所述，溝槽柵的設(shè)計難度極高，而且對制造工藝也有很高的要求。
庭田科技提供的POWERTESTER測試平臺，在不破壞待測器件的前提下，僅需三步，即可高效安全的測試IGBT、硅和碳化硅MOSFET、二極管等半導(dǎo)體器件的使用壽命及熱可靠性。
在考慮門極可靠性的同時，英飛凌碳化硅MOSFET還具有下述優(yōu)勢，1）閾值電壓高，避免誤觸發(fā)，2）短路能力，3）dv/dt可控性。這些獨有的特性，使得英飛凌碳化硅MOSFET更容易被使用。
碳化硅功率器件
碳化硅功率器件主要包含 SiC 功率二極管、SiC MOSFET 器件和碳化硅絕緣柵雙極晶體管（SiC BJT/SiC IGBT）等 SiC 晶體管兩大類。SiC 從上個世紀(jì) 70 年代開始研發(fā)，2001 年SiC-SBD 開始商用，2010 年 SiCMOSFET 開始商用，而 SiC-IGBT 的商用仍存在挑戰(zhàn)。
