电驱动系列：三十九、电机控制器基础--碳化硅(SiC)介绍及SiC-Mosfet

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39.1 碳化硅(SiC)的引入

在讲MOS电容的时候，半导体举例为P型硅，严格的说，MOS为金属氧化物半导体，金属可以为铝、铜等导电物质，氧化物为不导电的绝缘层，一般SiO2较常见，半导体可以为Si基、锗基，也可以为SiC、砷化镓等为基础进行掺杂所获得的P型或N型半导体。



图39.1 Mos电容及材料

在Mosfet中，除了Mos电容，所有的半导体结构也都可以从硅基切换为其他基础的半导体材料。

碳化硅（SiC）属于第三代半导体材料，具有1X1共价键的硅和碳化合物，其莫氏硬度为13，仅次于钻石（15）和碳化硼（14）；

Sic可以制作BJT、Mos-FET、IGBT等，其原理没有太大差异，但其各种物理性能较硅基半导体会有不同程度的提升。
39.2 SiC的晶体结构和物理参数对比

SiC晶体根据碳原子与硅原子的堆积方式分，有2H-SiC、4H-SiC、6H-SiC、3C-SiC等结构，其中数字表示一个晶胞沿着（001）方向的碳硅双原子层数，H表示六方晶系（Hexagonal）、C表示立方晶系（Cubic）。



图39.2 4H-SiC晶体结构示意图

表39.1 部分第三代本征半导体材料与Si的参数对比

	Si	GaAs	4H-SiC
带宽(eV)	1.11	1.43	3.26
临界电场强度(10^6V/cm)	03	0.6	3.0
最高工作温度(K)	600	760	1580
熔点(K)	1420	1235	>2100
热稳定性	Good	Fair	Excellent
电子迁移率(cm^2/V·S)	1500	8500	1140
空穴迁移率(cm^2/V·S)	600	400	50
饱和电升速率(10^7cm/s)	1.0	1.0	2.0
介电常数	11.8	12.5	9.6
热导率(W/cm·K)	1.5	0.46	4.9

39.3. 本征半导体的几个重要参数介绍

（1）禁带宽度：被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从价带跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。



图39.3 电子能级的跃迁

禁带宽度的影响：

① 击穿电压、临界电场强度

PN结反偏是有漏电流的，也就是说，会有少量电子从中间的内建电场区经过。并在这个区域被加速。



图39.4 PN结的反偏

如果电压达到某阈值（击穿电压），场强也达到相应的阈值（临界电场强度），电子会被加速到较高的能量与原子相撞，原本在化学键里的电子会被撞出来成为自由电子。这个新产生的自由电子又受到电场力加速，去撞击其它的原子产生新的自由电子；这样的连锁反应会产生大量的自由电子，电流急剧增大，从而击穿PN结，称为“雪崩击穿”。

② 工作电压：如果禁带宽度大，价电子需要更高的能量才能成为自由电子，能抗住的场强也就越高，越耐压。

③ 器件大小及工作频率：如果禁带宽度大，同等耐压的器件，PN结可以做得更薄，器件也能更小，又会带来寄生电容小的好处，器件可以在更高的频率工作。

④ 工作温度：温度上升，电子获得的能量相应的也会升高，当温度上升到一定程度的时候，很多共价键里的电子获得足够的能量变成自由电子，这样就破坏了半导体的特性。禁带宽度越大，共价键里的电子变成自由电子所需的温度也就越高，即工作温度可以更高。

（2）电子/空穴迁移率：指电子/空穴在电场力的作用下运动快慢的物理量。

迁移率越大，在半导体材料两端加电压后，单位时间通过的电子数越多，电流越大，即电阻率越低，相应的损耗也越小。

表中各材料空穴迁移率明显低于电子迁移率，这也解释了为什么N沟道开关器件较P沟道应用广泛：N沟道用来导电的是电子，而P沟道用来导电的是空穴，同体积、同掺杂的情况下，N沟道开关器件损耗要比P沟道小。

（3）电子饱和漂移速度：在电场比较低的时候，电子的漂移速度与电场大小成正比，当电场大到一定程度后，电子漂移速度不再随着电场的增大继续增加，此时电子的漂移速度称为电子饱和漂移速度，它决定了电子漂移速度的上限。

（4）介电常数：表征介质材料的介电性质或极化性质的物理参数。其值等于以预测材料为介质与以真空为介质制成的同尺寸电容器电容量之比，该值也是材料贮电能力的表征。也称为相对电容率。衡量Mos电容的性能。

（5）热导率：又称“导热系数”，是物质导热能力的量度；热导率越高，散热能力越强。

综上，相较于硅，碳化硅具有10倍的击穿电场强度（同样厚度下工作电压可以更高，或同样电压下厚度更薄），3倍的禁带宽度；2.5倍的极限工作温度和2倍的饱和电子漂移速率。同时，碳化硅还具有三倍的热导率，这意味着三倍于硅的冷却能力；另外其机械强度较高，优势是可靠性高，劣势是难于加工，同时成本也高。



图39.5 Si与SiC主要参数及优劣势对比图

除以上几点外，相较于Si基，SiC电子迁移率低属于劣势，但SiC掺杂浓度可以做到比硅更高，同时漂移层可以做得非常薄（漂移层越薄，其电阻越低），理论上，给定高电压，单位面积漂移区的电阻可以降低到硅的1/300。
39.4 SiC-Mosfet

将Mosfet的P/N型半导体材料基底由Si基改为SiC基，即为SiC-Mosfet，相较于Si-Mosfet，SiC-Mosfet可以有更高的掺杂浓度，电阻更小、体积更小、导通速度快、导通损耗小、更易冷却、更耐高压等特点。



图39.6 SiC-Mosfet与Si-Mosfet对比

当然，碳化硅也可以用来制作SiC-IGBT，但其加工难度更高，除非需要特别高的电压，大多数情况下比如汽车电机控制器，SiC-Mosfet完全可以胜任，因此在很多领域SiC-Mosfet有很广泛的应用前景。