過去幾年出現(xiàn)并加速發(fā)展的數(shù)字化和能源效率等全球趨勢(shì)，給制造商和半導(dǎo)體市場(chǎng)帶來了新的挑戰(zhàn)。開發(fā)出助力實(shí)現(xiàn)高效電力管理系統(tǒng)的功率半導(dǎo)體器件，目前也已提上業(yè)界議程。

　　功率半導(dǎo)體作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，是提升能源效率的決定性因素之一。電源、逆變器等電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員，需要逐步達(dá)成具有挑戰(zhàn)性的效率目標(biāo)，同時(shí)還要控制成本。成本因素發(fā)揮的重要作用不只是增加制造商盈利。如果太陽能逆變器、高效電源和電動(dòng)汽車變得更便宜，那將促進(jìn)人們采用更綠色環(huán)保的基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)我們的地球乃至人類的未來產(chǎn)生積極影響。

　　從設(shè)計(jì)人員的角度來看，成本與效率二者之間的合理平衡至關(guān)重要。除常規(guī)的硅之外，最近還出現(xiàn)了新技術(shù)和新材料，如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等，它們有望實(shí)現(xiàn)更高效率及功率密度。事實(shí)上，寬禁帶半導(dǎo)體因其材料的特性擁有巨大發(fā)展?jié)摿?，可以帶來開創(chuàng)性的性能。它們能夠?qū)崿F(xiàn)更高擊穿電壓，工作頻率更高、熱性能方面更加靈活，并擁有針對(duì)硬換流應(yīng)用的穩(wěn)健性。所有這些特性使其較之硅基解決方案更適合新的高效拓?fù)浠蚋呙芏仍O(shè)計(jì)。

　　碳化硅和氮化鎵技術(shù)的“甜區(qū)”在哪里？

　　如圖1所示，超結(jié)MOSFET或IGBT等硅基產(chǎn)品可用于很寬的電壓范圍（從幾伏到幾百伏不等），適合于多個(gè)功率等級(jí)，而基于碳化硅的產(chǎn)品則適用于大于等于650 V的電壓等級(jí)（突破硅的限值，達(dá)到3 kV以上功率等級(jí)），基于氮化鎵的器件更適合于650 V以下的電壓等級(jí)。而當(dāng)工作頻率增加時(shí)，碳化硅和氮化鎵都將逐漸優(yōu)于硅。應(yīng)用需求和設(shè)計(jì)目標(biāo)決定了首選技術(shù)。

圖1：技術(shù)定位——硅、碳化硅和氮化鎵

　　就這三種技術(shù)而言，并僅著眼于分立FET產(chǎn)品，英飛凌擁有豐富的600 - 650 V產(chǎn)品系列（CoolMOS™硅超結(jié)MOSFET、CoolSiC™碳化硅MOSFET和CoolGaN™氮化鎵常關(guān)增強(qiáng)型模式HEMT）。盡管SJ MOSFET以非常經(jīng)濟(jì)劃算的方式滿足了當(dāng)前對(duì)能源效率和功率密度的大多數(shù)要求，但是，如有散熱或超高密度等特殊設(shè)計(jì)要求，碳化硅和氮化鎵器件為最佳選擇。由于相關(guān)器件堅(jiān)固耐用，CoolSiC™ MOSFET具有出色的熱性能，CoolGaN™ HEMT適用于很高的工作頻率，可以將功率密度提升到非常高的水平。

　　未來，WBG產(chǎn)品有望進(jìn)一步加速和替代硅基器件，不過，可以預(yù)見，這三種技術(shù)仍將長(zhǎng)期共存。由于碳化硅易于使用，而且從超結(jié)MOSFET和IGBT過渡相對(duì)容易，因此在某些應(yīng)用中采用碳化硅的速度會(huì)更快一些。

　　英飛凌CoolSiC™ MOSFET旨在實(shí)現(xiàn)卓越性能

　　在采用正確設(shè)計(jì)方法的情況下，碳化硅技術(shù)是要求卓越性能的應(yīng)用的最佳選擇。

圖2：英飛凌CoolSiC™ MOSFET 650 V器件功能與特性一覽

　　不過，晶圓面積與導(dǎo)通電阻積是給定技術(shù)的主要基準(zhǔn)參數(shù)，找到主要性能指標(biāo)（即，電阻和開關(guān)損耗）與實(shí)際工作性能二者之間的平衡仍然很重要。開發(fā)出CoolSiC™ MOSFET與匹配的EiceDRIVER™柵極驅(qū)動(dòng)器為的是充分利用碳化硅的預(yù)期性能：通過耐用性、可靠性與易用性優(yōu)勢(shì)帶來卓越性能。了解可用的產(chǎn)品系列，敬請(qǐng)參閱圖2。

圖3：英飛凌基于碳化硅的CoolSiC™產(chǎn)品系列

　　談到可靠性，碳化硅MOSFET在柵極氧化層（GOX）有關(guān)鍵的潛在故障點(diǎn)，柵極氧化層為隔離柵極和源極的層。碳化硅晶體的生長(zhǎng)會(huì)在柵極氧化成結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生缺陷，而那些穿透柵極氧化層的缺陷會(huì)導(dǎo)致局部變薄，最終增加電場(chǎng)，使其超過介電擊穿電壓，導(dǎo)致最終摧毀器件。

　　為避免這種情況，CoolSiC™ MOSFET基于溝槽結(jié)構(gòu)，這具備兩大優(yōu)勢(shì)：

　　· 由于結(jié)構(gòu)方向，GOX中缺陷較少

　　· 由于具備更強(qiáng)的耐用性和更高的可實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度（支持在更高電壓下進(jìn)行測(cè)試，提高缺陷篩選的有效性），所以，GOX厚度增加，而不會(huì)影響到性能（可選擇濃度更高的GOX，不會(huì)對(duì)Ron產(chǎn)生影響）

　　談到性能，CoolSiC™ MOSFET具有非常低的開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗，它們通過相對(duì)平坦的RDS（on）與溫度的依賴關(guān)系得到改善。特別是，抑制寄生電容產(chǎn)生的門極誤開通的穩(wěn)健性不僅對(duì)開關(guān)損耗有積極影響，而且在易用性方面也有重大意義。由于寄生電容導(dǎo)致誤開通的傾向性很低，CoolSiC™ MOSFET是市面上唯一可以在0 V時(shí)可靠關(guān)斷的器件，不需要使用負(fù)電壓（雖然該器件也可以這樣使用）。因此，該驅(qū)動(dòng)方案可以很簡(jiǎn)單，并與超結(jié)MOSFET驅(qū)動(dòng)解決方案完全兼容。

　　關(guān)于驅(qū)動(dòng)電壓范圍，VGS范圍的上限與最大容許電壓之間需要有一定的電壓裕度（VGS， max；在數(shù)據(jù)手冊(cè)中指定）。該裕度保證緩沖區(qū)可以防止可能引起應(yīng)力和損壞柵極氧化物的過沖電壓。這是CoolSiC™技術(shù)為確?？煽啃远扇〉念~外措施。

　　未完待續(xù)….

　　關(guān)于SiC優(yōu)勢(shì)的后續(xù)內(nèi)容，可以去英飛凌官方知乎賬號(hào)查看哦。掃描下方二維碼打開知乎關(guān)注英飛凌，或者直接在知乎里搜索“英飛凌”即可。