前言

在Tech Web的“基礎知識”里新添加了關于“功率元器件”的記述。近年來，使用“功率元器件”或“功率半導體”等說法，以大功率低損耗為目的二極管和晶體管等分立（分立半導體）元器件備受矚目。這是因為，為了應對全球共通的 “節(jié)能化”和“小型化”課題，需要高效率高性能的功率元器件。

然而，最近經常聽到的“功率元器件”，具體來說是基于什么定義來分類的呢？恐怕是沒有一個明確的分類的，但是，可按以高電壓大功率的AC/DC轉換和功率轉換為目的的二極管和MOSFET，以及作為電源輸出段的功率模塊等來分類等等。

在這里，分以下二個方面進行闡述：一是以傳統(tǒng)的硅半導體為基礎的“硅（Si）功率元器件”，另一是與Si半導體相比，損耗更低，高溫環(huán)境條件下工作特性優(yōu)異，有望成為新一代低損耗元件的“碳化硅（SiC）功率元器件”。SiC半導體已經開始實際應用，并且還應用在對品質可靠性要求很嚴苛的車載設備上。提起SiC，可能在有些人的印象中是使用在大功率的特殊應用上的，但是實際上，它卻是在我們身邊的應用中對節(jié)能和小型化貢獻巨大的功率元器件。

SiC功率元器件

關于SiC功率元器件，將分以下4部分進行講解。

SiC是在熱、化學、機械方面都非常穩(wěn)定的化合物半導體，對于功率元器件來說的重要參數都非常優(yōu)異。作為元件，具有優(yōu)于Si半導體的低阻值，可以高速工作，高溫工作，能夠大幅度削減從電力傳輸到實際設備的各種功率轉換過程中的能量損耗。

SiC半導體的功率元器件SiC-SBD（肖特基勢壘二極管）和SiC-MOSFET已于2010年＊1量產出貨，SiC的MOSFET和SBD的“全SiC”功率模塊也于2012年＊1實現(xiàn)量產。此時，第二代元器件也已量產，發(fā)展速度很快。（＊1：ROHM在日本國內或世界實現(xiàn)首家量產）

最初的章節(jié)將面向還沒有熟悉SiC的工程師、以SiC的物理特性和優(yōu)點為基礎進行解說。后續(xù)，將針對SiC-SBD和SiC-MOSFET，穿插與Si元器件的比較對其特性和使用方法的不同等進行解說，并介紹幾個采用事例。

全SiC模塊是作為電源段被優(yōu)化的模塊，具有很多優(yōu)點。將在其特征的基礎上，對其在實際應用中的具體活用要點進行解說。

由于SiC功率元器件在節(jié)能和小型化方面非常有效，因此，希望在這里能加深對元器件的了解，以幫助大家更得心應手地使用它。

何謂碳化硅

碳化硅（SiC）是比較新的半導體材料。一開始，我們先來了解一下它的物理特性和特征。

SiC的物理特性和特征

SiC是由硅(Si)和碳(C)組成的化合物半導體材料。其結合力非常強，在熱、化學、機械方面都非常穩(wěn)定。SiC存在各種多型體（多晶型體），它們的物理特性值各有不同。4H-SiC最適用于功率元器件。下表為Si和近幾年經常聽到的半導體材料的比較。

3英寸4H-SiC晶圓

表中黃色高亮部分是Si與SiC的比較。藍色部分是用于功率元器件時的重要參數。如數值所示，SiC的這些參數頗具優(yōu)勢。另外，與其他新材料不同，它的一大特征是元器件制造所需的p型、n型控制范圍很廣，這點與Si相同。基于這些優(yōu)勢，SiC作為超越Si限制的功率元器件用材料備受期待。

SiC的物理特性和特征

SiC比Si的絕緣擊穿場強高約10倍，可耐600V～數千V的高壓。此時，與Si元器件相比,可提高雜質濃度，且可使膜厚的漂移層變薄。高耐壓功率元器件的電阻成分大多是漂移層的電阻，阻值與漂移層的厚度成比例增加。因為SiC的漂移層可以變薄，所以可制作單位面積的導通電阻非常低的高耐壓元器件。理論上,只要耐壓相同，與Si相比,SiC的單位面積漂移層電阻可低至1/300。

Si 功率元器件為改善高耐壓化產生的導通電阻増大問題，主要使用IGBT（絕緣柵極雙極晶體管）等少數載流子元器件（雙極元器件）。但因為開關損耗大而具有發(fā)熱問題，實現(xiàn)高頻驅動存在界限。由于SiC能使肖特基勢壘二極管和MOSFET等高速多數載流子元器件的耐壓更高，因此能夠同時實現(xiàn) “高耐壓”、“低導通電阻”、“高速”。

此時，帶隙是Si的約3倍，能夠在更高溫度下工作?，F(xiàn)在，受封裝耐熱性的制約可保證150℃～175℃的工作溫度，但隨著封裝技術的發(fā)展將能達到200℃以上。

以上簡略介紹了一些要點,對于沒有物理特性和工藝基礎的人來說可能有些難，但請放心,即使不理解上述內容也能使用SiC功率元器件。

SiC功率元器件的開發(fā)背景和優(yōu)點

前面對SiC的物理特性和SiC功率元器件的特征進行了介紹。SiC功率元器件具有優(yōu)于Si功率元器件的更高耐壓、更低導通電阻、可更高速工作,且可在更高溫條件下工作。接下來將針對SiC的開發(fā)背景和具體優(yōu)點進行介紹。

SiC功率元器件的開發(fā)背景

之前談到，通過將SiC應用到功率元器件上，實現(xiàn)以往Si功率元器件無法實現(xiàn)的低損耗功率轉換。不難發(fā)現(xiàn)這是SiC使用到功率元器件上的一大理由。其背景是為了促進解決全球節(jié)能課題。

以低功率DC/DC轉換器為例，隨著移動技術的發(fā)展，超過90 %的轉換效率是很正常的，然而高電壓、大電流的AC/DC轉換器的效率還存在改善空間。眾所周知，以EU為主的相關節(jié)能指令強烈要求電氣/電子設備實現(xiàn)包括消減待機功耗在內的節(jié)能目標。

在這種背景下，削減功率轉換時產生的能耗是當務之急。不用說，必須將超過Si極限的物質應用于功率元器件。

例如，利用SiC功率元器件可以比IGBT的開關損耗降低85%。如該例所示，毫無疑問，SiC功率元器件將成為能源問題的一大解決方案。

SiC的優(yōu)點

如前文所述，利用SiC可以大幅度降低能量損耗。當然，這是SiC很大的優(yōu)點，接下來希望再了解一下低阻值、高速工作、高溫工作等SiC的特征所帶來的優(yōu)勢。

通過與Si的比較來進行介紹?！钡妥柚怠笨梢詥渭兘忉尀闇p少損耗，但阻值相同的話就可以縮小元件（芯片）的面積。應對大功率時，有時會使用將多個晶體管和二極管一體化的功率模塊。例如，SiC功率模塊的尺寸可達到僅為Si的1/10左右。

關于“高速工作”，通過提高開關頻率，變壓器、線圈、電容器等周邊元件的體積可以更小。實際上有能做到原有1/10左右的例子。

“高溫工作”是指容許在更高溫度下的工作，可以簡化散熱器等冷卻機構。

如上所述，可使用SiC來改進效率或應對更大功率。而以現(xiàn)狀的電力情況來說，通過使用SiC可實現(xiàn)顯著小型化也是SiC的一大優(yōu)點。不僅直接節(jié)能，與放置場所和運輸等間接節(jié)能相關的小型化也是重要課題之一。

審核編輯黃昊宇