功率半導(dǎo)體器件性能天花板如何突破

功率半導(dǎo)體器件，也被稱作電力電子器件，是用于電力設(shè)備的電能變換和控制電路的大功率電子器件，由于其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到能耗的多少，所以在當(dāng)今節(jié)能減排的大趨勢下備受重視，成為了電子圈關(guān)注的一個焦點(diǎn)。

既然成為焦點(diǎn)，那么大家對其的要求也就會越來越高。如果要給“你心目中理想的功率半導(dǎo)體器件”畫個像，相信很多人都會做出如下的描述：

1高耐壓：由于是和較大的功率打交道，所以耐壓能力會是一個硬指標(biāo)，為此功率器件制造往往采用不同于一般邏輯器件的半導(dǎo)體工藝。

2高頻率：更高的開關(guān)頻率不僅能夠提升功率器件自身的性能，還能夠帶來一個明顯的優(yōu)勢，就是允許使用更小的外圍元件，進(jìn)而減小系統(tǒng)整體的尺寸。

3高可靠：由于要承載更高的功率密度，所以功率器件需要耐高溫，具有更高的熱穩(wěn)定性，以及對抗過流過壓等瞬變的能力。

4低功耗：影響功率器件功耗的因素有很多，以一個功率二極管為例，其功耗主要包括與反向恢復(fù)過程相關(guān)的開關(guān)損耗、與正向壓降 VF 相關(guān)的正向?qū)〒p耗，以及反向漏電流帶來的反向損耗。

在現(xiàn)實(shí)中，功率器件的開發(fā)者就是照著這個“三高一低”的理想樣貌去打造產(chǎn)品的。但麻煩的是，在我們所熟知基于硅（Si）材料的器件中，上述這些優(yōu)點(diǎn)很難在一顆器件上實(shí)現(xiàn)，往往它們彼此之間是互相矛盾的，所以人們就不得不在魚和熊掌之間做取舍。

Si功率器件的瓶頸

而對于功率器件的應(yīng)用者來說，同樣難于找到一顆能夠滿足自己對功率器件所有期望的“完美”器件，因此在選料時經(jīng)常會陷入糾結(jié)之中。

仍然以二極管為例，如果你想選一款比較“快”的器件——也就是支持更高的開關(guān)頻率——大家首先會想到肖特基勢壘二極管（SBD），因?yàn)?SBD 不是利用PN結(jié)原理制作的，而是利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成的金屬-半導(dǎo)體結(jié)原理制成的熱載流子二極管，因此在反向恢復(fù)時不像 PN 結(jié)二極管那樣存在電荷存儲效應(yīng)，需要一個反向恢復(fù)時間 trr 去消除這些電荷，所以其開關(guān)速度非?？?，開關(guān)損耗也小。但是 SBD 有一個缺點(diǎn)，就是反向耐壓做不高，經(jīng)過工藝改進(jìn)也只能達(dá)到 200V 左右，這在功率半導(dǎo)體應(yīng)用方面，可以說是一個“硬傷”。

而想要提高反向耐壓，就要使用 PN 結(jié)結(jié)構(gòu)的功率二極管，但是由于反向恢復(fù)時的電荷存儲效應(yīng)，速度就快不了。為了解決這個問題，人們通過在二極管中摻雜貴金屬的方法開發(fā)出了快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)二極管（FRD），顧名思義這種器件就是在高頻率和高耐壓兩者之間找到了一個最佳平衡點(diǎn)，在確保足夠的反向耐壓特性（通常在 1000V 以上）的同時盡可能縮小反向恢復(fù)時間 trr（可以達(dá)到幾十納秒），而導(dǎo)致導(dǎo)通壓降變高，得不償失。

但是，只要是 PN 結(jié) Si 器件，在功耗上都會面臨著下面這些挑戰(zhàn)：

正向切換到反向時，積聚在漂移層內(nèi)的少數(shù)載流子“消亡”過程中會產(chǎn)生很大的瞬態(tài)反向恢復(fù)電流，從而產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗。

正向電流越大，或者溫度越高，恢復(fù)時間越長，恢復(fù)電流越大，損耗也會更大。

作為 SBD，想要降低正向開啟電壓，減少正向?qū)〒p耗，就要降低肖特基勢壘，但肖特基勢壘的降低會導(dǎo)致反向偏壓時的漏電流增大，這又是一個兩難的抉擇。

因此，從上面的分析可以看出，無論是選擇哪種功率二極管，都不是一個“萬全之策”。究其原因，這是因?yàn)橹圃靷鹘y(tǒng)功率器件的 Si 材料已經(jīng)達(dá)到了其物理極限，哪怕是某個性能提升一小步都很難，有時還會對其他性能帶來負(fù)面影響。所以說，想要打破功率器件性能提升的“天花板”，只在原有半導(dǎo)體材料上兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)是不行的，必須從新材料上尋找突破口。

SiC材料帶來的機(jī)會

于是第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料走入人們的視野。其實(shí)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(guān)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(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)開發(fā)創(chuàng)新功率器件的競逐已經(jīng)開始，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 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(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 Vishay SiC-SBD 的性能參數(shù)，你一定會得出結(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，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。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，原理上不會在電壓正反轉(zhuǎn)換時發(fā)生少數(shù)載流子存儲積聚的現(xiàn)象，應(yīng)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(fù)時沒有PN結(jié)的電荷存儲效應(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，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(dú)特的MPS（Merged PN Schottky）結(jié)構(gòu)，為器件帶來了更高的浪涌保護(hù)能力。簡單地說，MPS 結(jié)構(gòu)就是在 SBD 的正極增加一個 PN 結(jié)，當(dāng)器件通過高電流時，這個 PN 結(jié)通過注入少數(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。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(gòu)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(hù)能力。

面對多樣化的需求

通過上文，想必大家都已經(jīng)對 SiC-SBD 在性能上的優(yōu)勢印象深刻，但是當(dāng)開發(fā)者進(jìn)行現(xiàn)實(shí)的技術(shù)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(lǐng)域，今天其技術(shù)和配套產(chǎn)業(yè)鏈的成熟度還無法與 Si 器件相比。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(yàn)廠商實(shí)力。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(fù)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(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)時間只需要 19nS。

2功耗表現(xiàn)：第5代 FRED Pt在開關(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，可以多一個高性價比的選擇。

3工作溫度：這個系列的產(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，開發(fā)者可以根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用的要求進(jìn)行靈活選擇。而且，目前該系列還可以提供符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)的車規(guī)級產(chǎn)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(shù)路線上的齊頭并進(jìn)，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(shí)際的要求，提供出色的一站式的解決方案。

責(zé)任編輯：haq