功率半導體器件性能天花板如何突破

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

1、功率半導體器件又稱電力電子器件，是用于電力設備的功率轉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，在節(jié)能減排的大趨勢下備受關注，成為電子圈關注的焦點。

2、既然成為焦點，人們對它的要求也會越來越高。

3、如果要畫一幅“你理想中的功率半導體器件”的圖，相信很多人會做出如下描述：

4、1.高耐壓：因為是處理大功率，耐壓能力會是一個硬性指標。為此，不同于一般邏輯器件的半導體技術經常被用于功率器件的制造。

5、2高頻：更高的開關頻率不僅可以提高功率器件本身的性能，還帶來了一個明顯的優(yōu)勢，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，能夠抵抗過流、過壓等瞬態(tài)。

7、低功耗：影響功率器件功耗的因素很多。以一個功率二極管為例，其功耗主要包括與反向恢復過程相關的開關損耗、與正向壓降VF相關的正向導通損耗、反向漏電流引起的反向損耗。

8、現(xiàn)實中，功率器件的開發(fā)者按照“三高一低”的理想外觀來打造產品。

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)勢很難在一個器件上實現(xiàn)，而且它們之間往往相互矛盾，因此人們不得不在魚和熊掌之間做出選擇。

10、硅功率器件的瓶頸

11、對于電力設備用戶來說，也很難找到一個“完美”的設備，能夠滿足他們對電力設備的所有期望，所以他們經常糾結于材料的選擇。

12、還是以二極管為例。如果要選擇更快的器件——，也就是支持更高開關頻率3354的器件，首先會想到肖特基勢壘二極管(SBD)，因為SBD不是用PN結原理制作的，而是用金屬-半導體接觸形成的金屬-半導體結原理制作的熱載流子二極管。因此，在反向恢復中不存在像PN結二極管那樣的電荷存儲效應，需要反向恢復時間trr來消除這些電荷。

13、但SBD有一個缺點，就是反向耐壓不高，工藝改進后只能達到200V左右，可以說是功率半導體應用中的“硬傷”。

14、為了提高反向耐壓，需要使用PN結結構的功率二極管，但由于反向恢復時的電荷存儲效應，速度不快。

15、為了解決這個問題，人們通過在二極管中摻雜貴金屬，開發(fā)了快恢復和超快恢復二極管(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，要盡可能縮短反向恢復時間trr(可達幾十納秒)，導致高導通壓降，這是得不償失的。

16、但是，只要是PN結Si器件，就會在功耗上面臨以下挑戰(zhàn)：

17、當正向切換到反向時，漂移層中積累的少數(shù)載流子會在“消光”過程中產生較大的瞬態(tài)反向恢復電流，從而導致較大的開關損耗。

18、正向電流越大或溫度越高，恢復時間越長，恢復電流越大，損耗越大。

19、作為SBD，為了降低正向導通電壓和正向導通損耗，需要降低肖特基勢壘，但肖特基勢壘的降低會導致反向偏置時漏電流的增加，這是一個兩難的選擇。

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

21、原因是用于制造傳統(tǒng)功率器件的Si材料已經達到了物理極限，即使是一小步的性能提升都非常困難，有時還會對其他性能產生負面影響。

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材料帶來的機遇

24、因此，第三代寬帶隙半導體材料進入了人們的視野。

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

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

如今，利用 SiC 優(yōu)異的特質開發(fā)創(chuàng)新功率器件的競逐已經開始，在這方面，Vishay 憑借在功率半導體領域深厚的技術積淀，以及對 SiC 材料的深入理解，開發(fā)出了全新的碳化硅肖特基二極管（SiC-SBD）產品，這些功率二極管擊穿電壓可達 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 Vishay SiC-SBD 的性能參數(shù)，你一定會得出結論——這就是那顆滿足“三高一低”標準的功率器件。

Vishay SiC-SBD是如何煉成的？

這樣優(yōu)異的性能是如何煉成的，下面我們就來細細品讀。

首先，由于 SiC 具有10倍于 Si 材料的絕緣擊穿電場，這意味著即使采用 SBD 的結構，而不是更耐壓的PN結，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，原理上不會在電壓正反轉換時發(fā)生少數(shù)載流子存儲積聚的現(xiàn)象，應用于高頻場合不會有壓力。

再有，就是 SiC 器件最為人稱道的功耗上的優(yōu)勢。

第一，由于 SiC-SBD 在反向恢復時沒有PN結的電荷存儲效應，只產生使結電容放電程度的小電流，所以與 FRD 相比，開關損耗大幅減少。

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強的漂移層的阻抗，與Si器件相比，SiC 能夠以更高的雜質濃度和厚度更薄的漂移層實現(xiàn)足夠的耐壓特性，因此單位面積導通電阻非常低，帶來更低的正向導通損耗。

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

此外，Vishay的SiC-SBD還有一個特別值得一提的特性，就是其通過采用獨特的MPS（Merged PN Schottky）結構，為器件帶來了更高的浪涌保護能力。

39、簡單地說，MPS 結構就是在 SBD 的正極增加一個 PN 結，當器件通過高電流時，這個 PN 結通過注入少數(shù)載流子增加漂移區(qū)的導通性，進而將正向電壓 VF 控制在低水平。

40、這樣做的效果顯而易見，從圖3中可以看到，一個“純” SBD 隨著正向電流 IF 的增加，正向電壓 VF 會呈指數(shù)級增長；而采用 MPS 架構的 SBD 則無論 IF 的高低，VF 都會保持在一個穩(wěn)定的水平，顯現(xiàn)出了極佳的浪涌保護能力。

面對多樣化的需求

通過上文，想必大家都已經對 SiC-SBD 在性能上的優(yōu)勢印象深刻，但是當開發(fā)者進行現(xiàn)實的技術決策時，SiC 器件的一個“不足”還是可能會讓人猶豫，那就是——其成本相對較高。

畢竟，SiC 還是一個比較新的領域，今天其技術和配套產業(yè)鏈的成熟度還無法與 Si 器件相比。

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

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

46、因此，Vishay 在加快其 SiC 功率器件創(chuàng)新步伐的同時，也在不斷鞏固自身在硅基功率器件方面的優(yōu)勢，第5代 FRED Pt 超快恢復二極管就是其中的一個代表作。

比如 Vishay 推出的 600V第5代 FRED Pt 超快恢復二極管，支持 15A 至 75A 的電流，在一些特性上，具備了能夠和 SiC-SBD 比肩的實力。

1開關頻率：該系列產品與同類產品相比，表現(xiàn)十分搶眼，比如 15A 的 VS-E5TX1506-M3 的反向恢復電荷僅為 578nC，反向恢復時間只需要 19nS。

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

3工作溫度：這個系列的產品，可以支持與 SiC-SBD 相同的 175℃ 最高工作溫度。

4產品組合：600V 第5代 FRED Pt系列產品中包括側重更低的 Qrr和更短的 trr的 X 型器件，以及在正向導通壓降上表現(xiàn)更好的 H 型器件，開發(fā)者可以根據(jù)目標應用的要求進行靈活選擇。

52、而且，目前該系列還可以提供符合 AEC-Q101 標準的車規(guī)級產品，這對汽車電子開發(fā)者更是一個好消息。

通過在硅基 FRD 和 SiC-SBD 兩個技術路線上的齊頭并進，Vishay 可以針對多樣化的需求，為開發(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)客戶實際的要求，提供出色的一站式的解決方案。

本文到此結束，希望對大家有所幫助。