碳化硅MOSFET的案例
干貨 | 氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET
為了解決這個問題碳化硅MOSFET 產品CoolSiC采用了不同的門極結構，該結構稱為溝槽型（Trench）碳化硅MOSFET，其門極結構如圖10所示。采用此結構后，碳化硅MOSFET的通道電阻不再與門極氧化層強相關，那么可以在保證門極高靠可行性同時導通電阻仍舊可以做到極低。
圖9：平面型碳化硅MOSFET結構示意圖
圖10：CoolSiC溝槽型門極結構
碳化硅MOSFET的特性
與氮化鎵晶體管類似，碳化硅MOSFET同樣具有導通電阻小，寄生參數小等特點，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RDS(on)*Qrr和RDS(on)*Qoss的對比，前一項是衡量體二極管反向恢復特性的指標，后一項是衡量MOSFET輸出電容上存儲的電荷量的指標。這兩項數值越小，表明反向恢復特性越好，存儲的電荷越低（軟開關拓撲中，半橋結構上下功率管所需要的死區越短）。可以看出，碳化硅MOSFET相比相近導通電阻的硅MOSFET，反向恢復電荷只有1/6左右，輸出電容上的電荷只有1/5左右。
展開 氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET
碳化硅 MOSFET結構及其特性
碳化硅MOSFET的結構
常見的平面型
(Planar)
碳化硅MOSFET的結構如圖9所示。為了減小通道電阻，這種結構通常設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險。為了解決這個問題碳化硅MOSFET 產品CoolSiC采用了不同的門極結構，該結構稱為溝槽型
（Trench）
碳化硅MOSFET，其門極結構如圖10所示。采用此結構后，碳化硅MOSFET的通道電阻不再與門極氧化層強相關，那么可以在保證門極高靠可行性同時導通電阻仍舊可以做到極低。
展開 碳化硅功率器件的性能分析與多芯片并聯應用研究--碳化硅MOSFET&功率模塊
碳化硅MOSFET
碳化硅MOSFET具有正向導通電阻低、開關速度快、驅動電路筒單等優點。碳化硅MOSFET的漂移區相對較薄，它的正向導通電阻低，導通損耗也小。由于正向電阻小,所以相較于傳統硅IGBT，在相同的耐壓和導流能力條件下碳化硅MOSFET的面積可以更小，從而其結電容也更小（相對介電常數：碳化硅9.66，硅11.9，＠300K），較小的結電容使得器件的開關速度更快。
碳化硅MOSFET是電壓型驅動器件，驅動功耗較低，而柵氧結構讓它的柵極輸入阻抗極大，所以碳化硅MOSFET的驅動電路相對筒單，并且從電路拓撲上來說傳統硅IGBT的驅動電路可以直接驅動碳化硅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電通路，MOSFET導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組成。
當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存在，漏源之間開始具備承受高電壓應力的條件。
展開 專為將導通損耗降至較低而設計的800V+N型碳化硅MOSFET
“超節功率MOS管”應為?超結功率MOS管?（Super Junction MOSFET），是一種專為高壓大功率應用優化的功率半導體器件。其核心創新在于通過?電荷平衡結構?突破傳統硅器件的“硅極限”（即耐壓與導通電阻之間的權衡關系）。
超結MOS管的工作原理
采用?P柱（P-type pillar）與N柱（N-type pillar）交替排列?的超結結構，替代傳統MOSFET中單一的N型漂移區。P柱和N柱的摻雜濃度和電荷量相互補償，實現?體電荷平衡?（即總正負電荷近似相等）。
在傳統MOSFET中，耐高壓需加厚低摻雜漂移區，導致導通電阻（RDS(on)）很高。關斷狀態?：漏源間加高電壓時，P柱與N柱形成的耗盡區擴展并相互貫穿，實現高耐壓。導通狀態?：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；由于超結結構降低了漂移區電阻，導通損耗顯著減小。
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。該器件專為將導通損耗降至較低而設計，同時確保開關性能優異，且幾乎不受溫度變化的影響。
此外，我們的碳化硅功率MOSFET具有高可靠性和極高的效率，其開發旨在提升終端應用的性能，特別是在工作頻率、能效、可靠性以及系統尺寸和重量的減小方面。
展開 
工程師兩難之GaN還是SiC？到底該pick誰？
圖1：硅、碳化硅，氮化鎵三種材料關鍵特性對比
由于具有以上優異的特性，氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET正越來越多的被應用于工業領域，且將被更大規模的應用。圖2是IHS Markit給出的這兩種功率半導體應用領域及其銷售額預測。隨著應用領域的擴大，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體銷售量預測。
圖2：氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET應用領域及銷售額預測
圖3：氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET銷售額預測
在本文的第2章，將對氮化鎵晶體管的結構和特性，特別是英飛凌科技有限公司的氮化鎵晶體管產品進行詳細的介紹。第3章將對碳化硅MOSFET的結構和特性特別是英飛凌科技有限公司的碳化硅MOSFET產品進行詳細的介紹。
展開 智芯文庫 | 碳化硅讓OBC擁有更強競爭力
圖（五）650V、20A碳化硅肖特基二極管與競品主要參數對比
4.2 適合OBC應用的新一代碳化硅MOSFET：
碳化硅MOSFET開關速度快，開啟電壓Vth相比硅MOS要低不少，如何降低碳化硅MOSFET在高頻應用中的誤動作風險，是工程師在應用中碰到的最大問題。
如圖（六）、圖（七）所示，采用開爾文封裝工藝，將傳統的TO-247-3封裝變成TO-247-4封裝，可實現碳化硅MOSFET功率源極和驅動源極分開，有效降低碳化硅MOSFET關斷時L*di/dt對碳化硅MOSFET柵極的影響，降低MOSFET誤動作的風險。
圖（六） TO-247-3封裝碳化硅MOSFET 關斷過程簡圖
圖（七） TO-247-4封裝碳化硅MOSFET關斷過程
參考文獻/資料:
1)方正證券研究報告：《車載電源：國內專業制造商崛起，綁定下游搶占先發優勢》
2）欣銳科技官方網站；
| 來源：基本半導體
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展開 用于取代IGBT的碳化硅（SiC）MOSFET
圖3 US5506421A（功率MOSFET在碳化硅）
到了2011年， Cree推出了市場上第一個SiC功率MOSFET，即CMF20120D器件。CMF20120D是垂直N溝道增強型SiC MOSFET。圖4顯示了CMF20120D器件中的平面晶體管柵極的橫截面SEM顯微照片。在此SEM顯微照片中描繪了N +源和P型身體植入物。
圖4 Cree CMF20120D碳化硅平面MOSFET橫截面
自2010年以來，碳化硅功率MOSFET市場顯著擴大，現在每年超過2億美元。隨著SiC在汽車、光伏、鐵路等多個市場取代硅技術，許多新的參與者已經進入市場，有望實現兩位數的復合年增長率。通常，SiC 功率MOSFET的工作電壓為1200或1700 V，旨在取代IGBT技術。最近發布了650 V SiC MOSFET器件，其目標可能是與硅超級結和基于GaN的技術競爭。
看來Cree仍繼續專注于平面SiC MOSFET技術。但是，包括英飛凌和羅姆在內的其他廠商在采用溝槽或UMOS技術。相比之下，意法半導體（STMicroelectronics）也專注于平面SiC MOSFET技術。圖5顯示了在羅姆 SCT3022AL 650 V SiCN溝道MOSFET 上發現的溝槽柵極的橫截面SEM顯微照片。
圖5與US5506421A的權利要求1的比較表明，羅姆 SCT3022AL使用了John Palmour精溝槽SiC MOSFET專利中的許多功能。例如，SEM圖像顯示溝槽，絕緣層和柵電極的存在。
圖5 Rohm SCT3022AL 650 V SiC MOSFET橫截面
碳化硅是一種顛覆性的技術，隨著在各種關鍵電力電子市場上它正在取代硅基技術的地位，正開始受到市場的關注。。
展開 碳化硅器件在UPS中的應用研究
圖6是硅二極管和碳化硅二極管在對應換流回路中開關管的Eon對比(數據來自F3L400R10W3S7_B11和F3L400R10W3S7F_B11的T1管Eon數據)，從圖中可以看到，在100A電流時，使用碳化硅二極管可以降低大概50%的Eon,小于100A電流時，Eon降低的比例會更大。從圖6中還可以發現，使用碳化硅二極管，Eon基本不隨著溫度的升高而升高，而使用硅二極管，Eon會隨著溫度的上升而變大。
圖6.硅二極管和碳化硅二極管對Eon的影響
隨著碳化硅二極管的大量使用，碳化硅MOSFET逐漸走進UPS應用的大門。對比IGBT器件，碳化硅MOSFET有著開關頻率高，開關損耗小等優勢，在UPS中使用，可以實現大功率UPS的高效化和高頻化，實現整個數據中心的節能和碳減排目標。下面我們將基于UPS的各常用逆變方案和英飛凌器件，來分析碳化硅MOSFET給我們帶來的損耗降低。
展開 又一車企采用碳化硅！單一訂單175億元！內附11家國產技術進展
今年4月份，三安表示，碳化硅650V/1200V SBD等相關產品已通過AECQ車規級驗證，下一步將繼續推進車規級MOSFET驗證，打造車規級碳化硅功率芯片研發、制造和服務平臺。
2019年初，華大半導體旗下創能動力量產車規級碳化硅二極管，同年年底碳化硅 MOSFET獲得JEDEC認證，并初始實現量產，隨后獲得北汽產投等資本投資。
2019年9月，青銅劍、基本半導體聯合發布了面向新能源汽車的全碳化硅器件解決方案，2020年初，其650V二極管車規正在認證，1200V碳化硅MOSFET進入小批量的量產階段，車規級碳化硅模塊在2019年第四季度開始上車測試。據基本半導體總經理和巍巍在2020年透露，他們和一汽、北汽、華域、藍海華騰進行合作。
2020年10月，瞻芯電子發布工規級基于6英寸晶圓的碳化硅 MOSFET產品，相關器件已經在麥格米特的充電樁模塊上運行。
2020年11月，致瞻科技Pre-A輪融資公告提到，其碳化硅TeXTM系列碳化硅先進電驅系統和ZiPACKTM高性能碳化硅功率模塊，已批量應用于燃料電池發動機、微型燃氣輪機起動發電系統、離心式鼓風機等高速透平裝備，及航空/船舶電力推進、特種電氣化動力系統等。
2021年4月，國星光電宣布，其TO-220/TO247系列碳化硅MOSFET和碳化硅SBD產品已經進入了試產階段，并且在樣品階段完成了AEC-Q101車規級標準的摸底測試驗證工作。（
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關于國產碳化硅的機會，最近廣東芯聚能半導體有限公司總裁周曉陽表示，國產新能源車開始引入碳化硅MOSFET到主驅上，反應良好。
國際碳化硅市場從以二極管為主逐漸過渡到以MOSFET為主。
展開 智芯研報 | 用于取代IGBT的碳化硅（SiC）MOSFET 發展回顧（附產業地圖）
圖3 US5506421A（功率MOSFET在碳化硅）
到了2011年， Cree推出了市場上第一個SiC功率MOSFET，即CMF20120D器件。CMF20120D是垂直N溝道增強型SiC MOSFET。圖4顯示了CMF20120D器件中的平面晶體管柵極的橫截面SEM顯微照片。在此SEM顯微照片中描繪了N +源和P型身體植入物。
圖4 Cree CMF20120D碳化硅平面MOSFET橫截面
自2010年以來，碳化硅功率MOSFET市場顯著擴大，現在每年超過2億美元。隨著SiC在汽車、光伏、鐵路等多個市場取代硅技術，許多新的參與者已經進入市場，有望實現兩位數的復合年增長率。通常，SiC 功率MOSFET的工作電壓為1200或1700 V，旨在取代IGBT技術。最近發布了650 V SiC MOSFET器件，其目標可能是與硅超級結和基于GaN的技術競爭。
看來Cree仍繼續專注于平面SiC MOSFET技術。但是，包括英飛凌和羅姆在內的其他廠商在采用溝槽或UMOS技術。相比之下，意法半導體（STMicroelectronics）也專注于平面SiC MOSFET技術。圖5顯示了在羅姆 SCT3022AL 650 V SiCN溝道MOSFET 上發現的溝槽柵極的橫截面SEM顯微照片。
圖5與US5506421A的權利要求1的比較表明，羅姆 SCT3022AL使用了John Palmour精溝槽SiC MOSFET專利中的許多功能。例如，SEM圖像顯示溝槽，絕緣層和柵電極的存在。
圖5 Rohm SCT3022AL 650 V SiC MOSFET橫截面
碳化硅是一種顛覆性的技術，隨著在各種關鍵電力電子市場上它正在取代硅基技術的地位，正開始受到市場的關注。。
展開 從碳化硅模塊看特斯拉核心芯片選型策略
特斯拉Model 3/Y所采用的是TPAK碳化硅MOSFET模塊，該模塊的優秀設計使其成為一款不錯的通用高壓大功率封裝。本文就從這款碳化硅模塊展開來談談筆者觀察到的特斯拉核心功率芯片選型策略。
TPAK
TPAK不包括引腳的塑封部分尺寸為20mm x 28mm x 4mm，其中不僅可以裝入碳化硅MOSFET裸芯片，還可以選擇IGBT或者氮化鎵HEMT作為其核心芯片。這意味著TPAK不僅可以作為一款高性能的碳化硅驅動模塊，還可以成為一款高性價比的IGBT功率模塊，甚至在車規大功率氮化鎵技術成熟后，無縫接入氮化鎵裸芯片成為高頻功率開關器件。
TPAK外觀。此版本由意法半導體生產（來源：System Plus Consulting）
同時，結合浸淫多年的多管并聯技術，特斯拉可以在其電動汽車驅動系統中，按照不同的功率等級選擇不同數量的TPAK并聯，并根據不同的效率和成本要求選擇碳化硅MOSFET或者IGBT作為TPAK核心芯片。與此同時，因為都是同一種封裝，特斯拉僅需在外部電路、機械結構和散熱設計僅需小幅改動的情況下，即可滿足各種各樣的電動車驅動需求，這大大增加了設計彈性。
例如，在理想情況下，雙電機版本的特斯拉電動車可以選用多個碳化硅TPAK并聯驅動主電機，滿足大部分工況下的性能和效率要求。而另一電機則可選用較少數量并聯的碳化硅版本或者IGBT版本TPAK，以實現在一定成本控制下的四驅或加速要求。亦或在未來采用氮化鎵+碳化硅或者氮化鎵+IGBT的方案。
4個TPAK SiC并聯的Model 3逆變器（來源：Munro & Associates）
不僅如此，TPAK中的每種裸片還可以從不同的芯片供應商處采購，建立二供乃至多供體系。
展開 
800V高壓系統的驅動力和系統架構分析——為什么是800V高壓系統？
相比400V系統，一者800V高壓系統電池、電驅以及其他高壓部件電流小，相關部件損耗和線束損耗以都可以降低；二者伴隨著第三代半導體碳化硅技術的引入，各高壓部件尤其是電驅部件的能耗可以大幅降低，實現車輛節能行駛。
為什么使用碳化硅半導體
相比硅半導體更有什么優勢？
碳化硅在功率半導體層級有顯著性能優勢。相比硅半導體，碳化硅的禁帶寬度是硅的3倍，使其具備在高溫下穩定工作的能力；碳化硅的電場強度是硅的15倍，使其導通阻抗低，導通能耗降低；碳化硅的電子飽和率是硅的2倍，可以有更快的開關速度，開關能耗降低；碳化硅的導熱系數是硅的3.5倍，帶來更好的散熱性能（見圖1）。
圖1 半導體級別下SiC和Si的比較
這些優勢有助于高壓部件設計優化和整車優化，主要體現在如下兩方面：
第一，碳化硅MOSFET可以大幅提升逆變器效率以及電驅效率，降低整車能耗。
相比400V系統硅IGBT，無論400V系統還是800V高壓系統，碳化硅MOSFET逆變器損耗均可以降低50%左右，提升電驅效率繼而降低整車能耗。不同級別車輛能耗分析(如圖2) 顯示：從A00級別到大型SUV級別，碳化硅MOSFET電驅產品可以實現整車電耗降低5%-7%即同等容量電池下續航增加至少5%，看數據可能有點繞，說人話就是省錢。
圖2 碳化硅電驅技術對整車能耗影響分析
第二，碳化硅MOSFET在800V高壓電驅系統應用中具備幾乎無可替代的優勢。
展開 眾多碳化硅樣車將面世？一汽、北汽、中車、三安、泰科天潤等已經聯手！
據新華網報道，國創中心是通過北汽新能源的EU5整車開源平臺，來開展國產碳化硅器件和功率模塊的上車測試，截至今年3月3日，該平臺已搭載9款國產半導體器件。
國創中心相關負責人介紹說，由于缺乏完善的車規級標準體系、測試平臺和認證機制，國產半導體難于進入汽車產業的供應鏈，進而無法實現批量上車應用。
而國創中心聯合行業伙伴組建測試認證工作組，為汽車行業選擇國產產品提供技術數據支持和質量背書，從而打通國產半導體上車路徑。
今年將有眾多碳化硅樣車
“上車”需解決哪些問題？
目前，碳化硅“上車”態勢趨強，
芯聚能
半導體總裁周曉陽表示，國產新能源車開始將碳化硅MOSFET引入到主驅上，反應良好。
最近，派恩杰半導體創始人黃興博士也透露，“今年應該很多國內車企會有推出碳化硅樣車，從明年開始會有一個逐步從IGBT轉向碳化硅的過程。”
而國產碳化硅也大有機會。基本半導體技術營銷副總監劉誠表示，目前一些新能源造車勢力比較傾向于尋找國內廠商進行合作，在時代大背景下，碳化硅的需求會逐步走高，國內產業的機會也會越來越多。
據黃興介紹，自去年底起，已有不少車廠在和派恩杰就車用碳化硅模塊方面談相關合作。
周曉陽認為，全球碳化硅產業化剛剛開始，國內產業起步雖晚，但推動力度大進度快，封裝技術瓶頸和差距依然具備追趕并進的機會。
中電南方國基集團有限公司高級工程師李士顏也認為，國內碳化硅功率器件迅速布局，技術進步迅速，自主芯片國產替代前景廣闊。不過，他也指出，大尺寸碳化硅襯底、碳化硅MOSFET技術成熟度仍需提高，碳化硅MOSFET器件應用技術提升是碳化硅市場的重要牽引。
展開 國內將建6條6英寸SiC線
1月2
7日，
株洲中車時代半導體有限公司
對外發布“碳化硅芯片生產線技術能力提升建設項目設計”招標公告，項目總投資超
4.6億元
。
最近正在采購
6吋生產設備
。
在1月舉行的產業媒體交流會上，
中科漢韻
代表介紹到，規劃中的2022年
6英寸碳化硅Mosfet
芯片產線已經開始啟動前置工作。
2021年12月12日，
英唐智控
發布公告稱，計劃投資約
18.1億元
建設
年產72萬片
的
FAB
6英寸特色(含SiC)工藝線，預計2023年10月建成投產，2025年1月實現達產。
國內碳化硅行業的真實現狀！
碳化硅MOSFET器件- 平面結構
3 - 10mOhm， 20A及以下，有一家真的是有四寸的批量，成本性價比和良率/可靠性，有待改善，暫時還不敢有企業裝上車，做個充電樁充充電，可以有；
無錫/上海/廈門 那幾家廠都在開發和樣品階段，沒什么批量數據；
一句話總結：平面MOSFET，能良率穩定大批量量產上車的，沒有！
3mOhm 50A以上，批量穩定良率超過40%，沒有！
7. 碳化硅MOSFET器件- 溝槽結構
—— 五年計劃開發中-ing…
完全自主專利結構產品 — 沒有！
國外MOSFET器件情況：
1.
展開 