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碳化矽

2018-06-26 13:58:14 909

  富芯微電子有限公司産品普及:什麼是碳化矽


  碳化矽(SIC)是半導體界公認的“一種未來的材料”,是新世紀有廣闊發展潛力的新型半導體材料。預計在今後5~10年将會快速發展和有顯著成果出現。促使碳化矽發展的主要因素是矽(SI)材料的負載量已到達極限,以矽作為基片的半導體器件性能和能力極限已無可突破的空間。


  預計十年内(21世紀頭十年)=碳化矽器件會有突破性發展。無論是SIC單晶材料還是SIC器件制造工藝都有重大發展,碳化矽材料開始走向成熟。與矽材料一起共同作為當前和今後主要半導體材料,在有些器件領域起到不可替代的作用并占有恰當市場。


  碳化矽是原子的複合體而不是單晶體,主要差異和性能在于矽和碳原子的相對數目,以及原子排列的不同結構。碳化矽的物理特性取決于晶體的碳矽原子排列結構,最普通和典型的是6方晶系的結構,稱之為6H、4H和3C碳化矽。


  SIC屬于“寬禁帶”半導體,物理特性與矽有很大不同。單晶碳化矽(SIC)比單晶矽(SI)具有很多優越的物理特性,例如(1)大約10倍的電場強度;(2)大約高3倍的熱導率;(3)大約寬3倍禁帶寬度;(4)大約高一倍的飽和漂移速度(見圖1)。


  理論上SIC器件的工作溫度在500℃或更高溫度,而矽器件是無法實現的。碳化矽的導熱率超過銅的導熱率,器件産生的熱量會快速傳遞,這無疑對器件的通流性能提高非常有利。


  SIC有很強的耐輻射性,作成的器件可以在核反應堆附近及太空中電子設備應用,較小的透射,高的電場強度以及高的飽和漂移遷移率有利于器件體積減少和複雜内部結構建立。


  因此可以預見到不久将來,SIC材料和器件工藝的完善。部分SI領域被SIC來替代是指日可待的目标。


  半導體材料開發成功與否的判據主要是做成器件的性能和适用程度。SIC器件用在功率變流裝置領域和高溫工作狀态是十分理想的材料,。上個世紀末,SIC器件開發成績顯著,PN結器件最高電壓4.5KV已經誕生,并取得成功應用的實踐。已經顯示SIC光控二極管的靈敏度比SI同類器件高4個數量級,另外電流特性可實現更高的功率密度。這對電力電子裝置的體積、效率和性能都有顯著的改進作用。還可以用于雷達、汽車、飛機、通訊等特殊要求的領域。随着SIC材料和器件工藝完善和成熟,在潛在領域真正實現其價值,而其它半導體是無法達到的環境條件,特别象太空的苛刻條件将為SIC器件優點提供一個絕好應用場合。因此無論如何,SIC是一種“未來的材料”。


  2理想的功率開關器件


  電力半導體器件最主要特征是高電壓,大功率,通态損耗小,即功率半導體器件通态電阻小(通态壓降小),開關速度(頻率)快,開關損耗小。


  無功率損耗的功率開關器件是不存在的,但近幾年來出現了幾種與此接近的器件,即與傳統的功率半導體器件相比,通态壓降,開關損耗都非常小,幾乎接近理想的半導體器件。


  SI材料的MOSFET是一種驅動簡單,開關頻率和速度很快,功率損耗或稱開關損耗很小的功率半導體器件,但至命缺點是電壓不高,而且随電壓升高,功耗迅速增加.IGBT是MOSFET的改進功率器件,同樣具有MOSEFT器件驅動電路簡單開關速度快的特點.在20世紀80年代IGBT取代雙極型結型晶體管,耐壓水平從幾百伏很快上升到2KV以上的新型功率半導體器件.但高於2KV的功率裝置系統,GTO或IGCT仍然牢牢的占領和控制着市場,令IGBT望塵莫及.GTO、IGCT作為一種功率開關器件,具有高電壓,大電流,能産生很高功率的一種器件,但需要用比MOSFET和IGBT更複雜和功率較大的控制電路來驅動。