功率半導(dǎo)體器件性能天花板如何突破

大家好，小科來(lái)為大家解答以上問(wèn)題。功率半導(dǎo)體器件性能天花板如何突破這個(gè)很多人還不知道，現(xiàn)在讓我們一起來(lái)看看吧！

1、功率半導(dǎo)體器件又稱電力電子器件，是用于電力設(shè)備的功率轉(zhuǎn)換和控制電路的大功率電子器件。由于它們的性能與能耗量直接相關(guān)，在節(jié)能減排的大趨勢(shì)下備受關(guān)注，成為電子圈關(guān)注的焦點(diǎn)。

2、既然成為焦點(diǎn)，人們對(duì)它的要求也會(huì)越來(lái)越高。

3、如果要畫(huà)一幅“你理想中的功率半導(dǎo)體器件”的圖，相信很多人會(huì)做出如下描述：

4、1.高耐壓：因?yàn)槭翘幚泶蠊β?，耐壓能力?huì)是一個(gè)硬性指標(biāo)。為此，不同于一般邏輯器件的半導(dǎo)體技術(shù)經(jīng)常被用于功率器件的制造。

5、2高頻：更高的開(kāi)關(guān)頻率不僅可以提高功率器件本身的性能，還帶來(lái)了一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)，即允許使用更小的外圍器件，從而減小系統(tǒng)的整體尺寸。

6、3.高可靠性：由于搭載了更高的功率密度，功率器件需要耐高溫，具有更高的熱穩(wěn)定性，能夠抵抗過(guò)流、過(guò)壓等瞬態(tài)。

7、低功耗：影響功率器件功耗的因素很多。以一個(gè)功率二極管為例，其功耗主要包括與反向恢復(fù)過(guò)程相關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗、與正向壓降VF相關(guān)的正向?qū)〒p耗、反向漏電流引起的反向損耗。

8、現(xiàn)實(shí)中，功率器件的開(kāi)發(fā)者按照“三高一低”的理想外觀來(lái)打造產(chǎn)品。

9、然而，麻煩的是，在我們熟知的基于硅(Si)材料的器件中，這些優(yōu)勢(shì)很難在一個(gè)器件上實(shí)現(xiàn)，而且它們之間往往相互矛盾，因此人們不得不在魚(yú)和熊掌之間做出選擇。

10、硅功率器件的瓶頸

11、對(duì)于電力設(shè)備用戶來(lái)說(shuō)，也很難找到一個(gè)“完美”的設(shè)備，能夠滿足他們對(duì)電力設(shè)備的所有期望，所以他們經(jīng)常糾結(jié)于材料的選擇。

12、還是以二極管為例。如果要選擇更快的器件——，也就是支持更高開(kāi)關(guān)頻率3354的器件，首先會(huì)想到肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)，因?yàn)镾BD不是用PN結(jié)原理制作的，而是用金屬-半導(dǎo)體接觸形成的金屬-半導(dǎo)體結(jié)原理制作的熱載流子二極管。因此，在反向恢復(fù)中不存在像PN結(jié)二極管那樣的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，需要反向恢復(fù)時(shí)間trr來(lái)消除這些電荷。

13、但SBD有一個(gè)缺點(diǎn)，就是反向耐壓不高，工藝改進(jìn)后只能達(dá)到200V左右，可以說(shuō)是功率半導(dǎo)體應(yīng)用中的“硬傷”。

14、為了提高反向耐壓，需要使用PN結(jié)結(jié)構(gòu)的功率二極管，但由于反向恢復(fù)時(shí)的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，速度不快。

15、為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們通過(guò)在二極管中摻雜貴金屬，開(kāi)發(fā)了快恢復(fù)和超快恢復(fù)二極管(FRD)。顧名思義，這類器件就是要在高頻和高耐壓之間找到最佳平衡，在保證足夠的反向耐壓特性(通常在1000V以上)的同時(shí)，要盡可能縮短反向恢復(fù)時(shí)間trr(可達(dá)幾十納秒)，導(dǎo)致高導(dǎo)通壓降，這是得不償失的。

16、但是，只要是PN結(jié)Si器件，就會(huì)在功耗上面臨以下挑戰(zhàn)：

17、當(dāng)正向切換到反向時(shí)，漂移層中積累的少數(shù)載流子會(huì)在“消光”過(guò)程中產(chǎn)生較大的瞬態(tài)反向恢復(fù)電流，從而導(dǎo)致較大的開(kāi)關(guān)損耗。

18、正向電流越大或溫度越高，恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)，恢復(fù)電流越大，損耗越大。

19、作為SBD，為了降低正向?qū)妷汉驼驅(qū)〒p耗，需要降低肖特基勢(shì)壘，但肖特基勢(shì)壘的降低會(huì)導(dǎo)致反向偏置時(shí)漏電流的增加，這是一個(gè)兩難的選擇。

20、因此，從以上分析可以看出，無(wú)論選擇哪種功率二極管，都不是“一機(jī)多用”的解決方案。

21、原因是用于制造傳統(tǒng)功率器件的Si材料已經(jīng)達(dá)到了物理極限，即使是一小步的性能提升都非常困難，有時(shí)還會(huì)對(duì)其他性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

22、所以，想要打破功率器件性能提升的“天花板”，光是繞著原有的半導(dǎo)體材料走是不夠的，必須從新材料中找到突破口。

23、SiC材料帶來(lái)的機(jī)遇

24、因此，第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料進(jìn)入了人們的視野。

25、其實(shí)對(duì)這些材料的研究歷史并不短，但是近年來(lái)市場(chǎng)和用戶對(duì)突破功率器件性能瓶頸的渴望，促使相關(guān)材料的研發(fā)和商用在加速，其中碳化硅（SiC）就是一個(gè)重要的發(fā)力點(diǎn)。

SiC 除了具備優(yōu)異的性能之外，還具有出色的熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，這就為打造新一代的功率器件提供了一塊堅(jiān)固的基石。

如今，利用 SiC 優(yōu)異的特質(zhì)開(kāi)發(fā)創(chuàng)新功率器件的競(jìng)逐已經(jīng)開(kāi)始，在這方面，Vishay 憑借在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域深厚的技術(shù)積淀，以及對(duì) SiC 材料的深入理解，開(kāi)發(fā)出了全新的碳化硅肖特基二極管（SiC-SBD）產(chǎn)品，這些功率二極管擊穿電壓可達(dá) 650V，包括 4A~20A 單管器件和 16A~40A 的共陰極雙管器件，可在 +175?C 高溫下工作，且具有高浪涌保護(hù)能力，在低功耗表現(xiàn)方面與傳統(tǒng)的 Si 功率二極管相比，更是一騎絕塵。

看過(guò) Vishay SiC-SBD 的性能參數(shù)，你一定會(huì)得出結(jié)論——這就是那顆滿足“三高一低”標(biāo)準(zhǔn)的功率器件。

Vishay SiC-SBD是如何煉成的？

這樣優(yōu)異的性能是如何煉成的，下面我們就來(lái)細(xì)細(xì)品讀。

首先，由于 SiC 具有10倍于 Si 材料的絕緣擊穿電場(chǎng)，這意味著即使采用 SBD 的結(jié)構(gòu)，而不是更耐壓的PN結(jié)，SiC-SBD 的反向耐壓也可以做到 600V 以上，甚至可以做到數(shù)千伏。

32、Vishay 的 SiC-SBD 額定反向耐壓就達(dá)到了 650V。

其次，SiC- SBD 同樣繼承了肖特基二極管高頻高速的特性，原理上不會(huì)在電壓正反轉(zhuǎn)換時(shí)發(fā)生少數(shù)載流子存儲(chǔ)積聚的現(xiàn)象，應(yīng)用于高頻場(chǎng)合不會(huì)有壓力。

再有，就是 SiC 器件最為人稱道的功耗上的優(yōu)勢(shì)。

第一，由于 SiC-SBD 在反向恢復(fù)時(shí)沒(méi)有PN結(jié)的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，只產(chǎn)生使結(jié)電容放電程度的小電流，所以與 FRD 相比，開(kāi)關(guān)損耗大幅減少。

第二，一般高耐壓功率器件的阻抗，主要取決于形成高絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)的漂移層的阻抗，與Si器件相比，SiC 能夠以更高的雜質(zhì)濃度和厚度更薄的漂移層實(shí)現(xiàn)足夠的耐壓特性，因此單位面積導(dǎo)通電阻非常低，帶來(lái)更低的正向?qū)〒p耗。

第三，在反向漏電流方面，Vishay 的 SiC-SBD 也做得不錯(cuò)，可以有效控制反向損耗的大小。

此外，Vishay的SiC-SBD還有一個(gè)特別值得一提的特性，就是其通過(guò)采用獨(dú)特的MPS（Merged PN Schottky）結(jié)構(gòu)，為器件帶來(lái)了更高的浪涌保護(hù)能力。

39、簡(jiǎn)單地說(shuō)，MPS 結(jié)構(gòu)就是在 SBD 的正極增加一個(gè) PN 結(jié)，當(dāng)器件通過(guò)高電流時(shí)，這個(gè) PN 結(jié)通過(guò)注入少數(shù)載流子增加漂移區(qū)的導(dǎo)通性，進(jìn)而將正向電壓 VF 控制在低水平。

40、這樣做的效果顯而易見(jiàn)，從圖3中可以看到，一個(gè)“純” SBD 隨著正向電流 IF 的增加，正向電壓 VF 會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)；而采用 MPS 架構(gòu)的 SBD 則無(wú)論 IF 的高低，VF 都會(huì)保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平，顯現(xiàn)出了極佳的浪涌保護(hù)能力。

面對(duì)多樣化的需求

通過(guò)上文，想必大家都已經(jīng)對(duì) SiC-SBD 在性能上的優(yōu)勢(shì)印象深刻，但是當(dāng)開(kāi)發(fā)者進(jìn)行現(xiàn)實(shí)的技術(shù)決策時(shí)，SiC 器件的一個(gè)“不足”還是可能會(huì)讓人猶豫，那就是——其成本相對(duì)較高。

畢竟，SiC 還是一個(gè)比較新的領(lǐng)域，今天其技術(shù)和配套產(chǎn)業(yè)鏈的成熟度還無(wú)法與 Si 器件相比。

44、這也就使得 SiC 器件在短期內(nèi)還難于覆蓋更全面的電力電子應(yīng)用的要求，特別是那些效益成本比要求更高的應(yīng)用。

也正是由于這個(gè)原因，盡管硅基功率器件已經(jīng)越發(fā)接近其理論上的性能“天花板”，但是對(duì)其性能潛力深度挖掘的努力仍然沒(méi)有停止，而且這同樣也十分考驗(yàn)廠商實(shí)力。

46、因此，Vishay 在加快其 SiC 功率器件創(chuàng)新步伐的同時(shí)，也在不斷鞏固自身在硅基功率器件方面的優(yōu)勢(shì)，第5代 FRED Pt 超快恢復(fù)二極管就是其中的一個(gè)代表作。

比如 Vishay 推出的 600V第5代 FRED Pt 超快恢復(fù)二極管，支持 15A 至 75A 的電流，在一些特性上，具備了能夠和 SiC-SBD 比肩的實(shí)力。

1開(kāi)關(guān)頻率：該系列產(chǎn)品與同類產(chǎn)品相比，表現(xiàn)十分搶眼，比如 15A 的 VS-E5TX1506-M3 的反向恢復(fù)電荷僅為 578nC，反向恢復(fù)時(shí)間只需要 19nS。

2功耗表現(xiàn)：第5代 FRED Pt在開(kāi)關(guān)損耗、正向損耗和反向損耗特性方面進(jìn)行了系統(tǒng)性的改進(jìn)，因此在 50kHz 頻率應(yīng)用范圍內(nèi)，除了SiC器件，可以多一個(gè)高性價(jià)比的選擇。

3工作溫度：這個(gè)系列的產(chǎn)品，可以支持與 SiC-SBD 相同的 175℃ 最高工作溫度。

4產(chǎn)品組合：600V 第5代 FRED Pt系列產(chǎn)品中包括側(cè)重更低的 Qrr和更短的 trr的 X 型器件，以及在正向?qū)▔航瞪媳憩F(xiàn)更好的 H 型器件，開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用的要求進(jìn)行靈活選擇。

52、而且，目前該系列還可以提供符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)規(guī)級(jí)產(chǎn)品，這對(duì)汽車(chē)電子開(kāi)發(fā)者更是一個(gè)好消息。

通過(guò)在硅基 FRD 和 SiC-SBD 兩個(gè)技術(shù)路線上的齊頭并進(jìn)，Vishay 可以針對(duì)多樣化的需求，為開(kāi)發(fā)者提供更多的選擇，不論是追求更高的性能，還是要求優(yōu)異的成本效益，Vishay 都可以根據(jù)客戶實(shí)際的要求，提供出色的一站式的解決方案。

本文到此結(jié)束，希望對(duì)大家有所幫助。