碳化硅Cascode JFET 為何能成為破局者

本文作者：Brandon Becker，安森美（onsemi）電源解決方案事業(yè)部 (PSG) 營銷經(jīng)理

電力電子器件高度依賴于硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）等半導(dǎo)體材料。雖然硅一直是傳統(tǒng)的選擇，但碳化硅器件憑借其優(yōu)異的性能與可靠性而越來越受歡迎。相較于硅，碳化硅具備多項技術(shù)優(yōu)勢（圖1），這使其在電動汽車、數(shù)據(jù)中心，以及直流快充、儲能系統(tǒng)和光伏逆變器等能源基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域嶄露頭角，成為眾多應(yīng)用中的新興首選技術(shù)。

圖1：硅器件（Si）與碳化硅（SiC）器件的比較

什么是碳化硅Cascode JFET技術(shù)？

眾多終端產(chǎn)品制造商已選擇碳化硅技術(shù)替代傳統(tǒng)硅技術(shù)，基于雙極結(jié)型晶體管（BJT）、結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等器件開發(fā)電源系統(tǒng)。這些器件因各自特性（優(yōu)缺點不同）而被應(yīng)用于不同場景。

然而，安森美的EliteSiC 共源共柵結(jié)型場效應(yīng)晶體管（Cascode JFET）器件（圖2）將這一技術(shù)推向了新高度。該器件基于獨特的"共源共柵（Cascode）"電路配置——將常開型碳化硅JFET器件與硅MOSFET共同封裝，形成一個集成化的常閉型碳化硅FET器件。我們的碳化硅Cascode JFET能夠輕松、靈活地替代IGBT、超結(jié)MOSFET以及碳化硅MOSFET等任何器件類型（圖3）。

在本文中，我們將深入探討安森美EliteSiC Cascode JFET相較于同類碳化硅MOSFET的技術(shù)優(yōu)勢。

圖 2：安森美碳化硅 Cascode JFET 器件框圖

碳化硅相較于硅的技術(shù)優(yōu)勢

與硅器件相比，碳化硅Cascode JFET具備多項優(yōu)勢。碳化硅作為寬禁帶材料，具有更高的擊穿電壓特性，這意味著其器件可采用更薄的結(jié)構(gòu)支持更高的電壓。此外，碳化硅相較于硅的其他優(yōu)勢還包括：

對于給定的電壓與電阻等級，碳化硅可實現(xiàn)更高的工作頻率，從而縮小元器件尺寸，顯著降低系統(tǒng)整體尺寸與成本。

在較高電壓等級（1200V 或更高）應(yīng)用中，碳化硅可以較低功率損耗實現(xiàn)高頻開關(guān)。而硅器件在此電壓范圍內(nèi)幾乎無法勝任。

在任何給定的封裝中，與硅相比，碳化硅器件具備更低的導(dǎo)通電阻（RDS(ON)）和開關(guān)損耗。

在與硅器件相同的設(shè)計中，碳化硅能提供更高的效率和更出色的散熱性能，甚至更高的系統(tǒng)額定功率。

碳化硅Cascode JFET：無縫升級替代硅基方案，卓越性能全面釋放

這些優(yōu)勢也體現(xiàn)在安森美 EliteSiC Cascode JFET 的性能中，這是一種更新且功能更強大的器件，針對多種功率應(yīng)用進行了優(yōu)化。

與硅基柵極驅(qū)動器兼容：實現(xiàn)向碳化硅的無縫過渡

首先，碳化硅Cascode JFET 的結(jié)構(gòu)允許使用標(biāo)準硅基柵極驅(qū)動器。這簡化了從硅基到碳化硅設(shè)計的過渡，提供了更大的設(shè)計靈活性。它們與各種類型的柵極驅(qū)動器兼容，包括為 IGBT、硅超結(jié) MOSFET 和 碳化硅MOSFET 設(shè)計的驅(qū)動器。

圖3：按電壓分類的功率半導(dǎo)體器件

其他優(yōu)勢

在給定封裝中，擁有業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的漏源導(dǎo)通電阻RDS(ON)，可最大程度地提高系統(tǒng)效率。

更低的電容允許更快的開關(guān)速度，因此可以實現(xiàn)更高的工作頻率；這進一步減小了如電感器和電容器等大體積無源元件的尺寸。

與傳統(tǒng)應(yīng)用于這一細分領(lǐng)域的硅基IGBT相比，碳化硅Cascode JFET在更高電壓等級（1200V或以上）下能夠?qū)崿F(xiàn)更高的工作頻率，而硅基IGBT通常速度較慢，僅能在較低頻率下使用，因此開關(guān)損耗較高。

安森美EliteSiC Cascode JFET器件在給定RDS(ON) 的條件下，實現(xiàn)更小的裸片尺寸，并減輕了碳化硅 MOSFET常見的柵極氧化層可靠性問題。

SiC MOSFET vs. 安森美SiC Cascode JFET:深入對比

讓我們花一點時間來更深入地了解SiC MOSFET 與 安森美SiC JFET 技術(shù)之間的差異。從下面的圖 3 中我們可以看到，SiC MOSFET 技術(shù)不同于安森美的集成式SiC Cascode JFET——這是精心設(shè)計的結(jié)果。安森美設(shè)計的SiC JFET去掉了碳化硅MOSFET 的柵極氧化層，這不僅消除了溝道電阻，還讓裸片尺寸更為緊湊。

安森美碳化硅 JFET 較小的裸片尺寸成為其差異化優(yōu)勢的一個關(guān)鍵所在，"RDS(ON)x A"（RdsA）品質(zhì)因數(shù) (FOM) 得以最佳體現(xiàn)，如圖 4 所示。這意味著對于給定的芯片尺寸，SiC JFET 具有更低的導(dǎo)通電阻額定值，或者換言之，在相同的 RDS(ON)下，安森美SiC JFET 的裸片尺寸更小。安森美在 RdsA FOM 方面的卓越表現(xiàn)樹立了行業(yè)領(lǐng)先地位，體現(xiàn)在以相對較小的行業(yè)標(biāo)準封裝（如 TOLL 和 D2PAK）提供的超低額定電阻產(chǎn)品。

圖 4：碳化硅MOSFET 與安森美Cascode JFET 的比較

(從外部看，Cascode 是一種常關(guān) FET）。

與SiC MOSFET 相比，EliteSiC Cascode JFET 具有更低的輸出電容 Coss。輸出電容較低的器件在低負載電流下開關(guān)速度更快，電容充電延遲時間更短。這意味著，由于減少了對電感器和電容器等大體積無源元件的需求，現(xiàn)在可以制造出更小、更輕、成本更低且功率密度更高的終端設(shè)備。

圖 5：安森美碳化硅Cascode JFET 與碳化硅 MOSFET 的競爭產(chǎn)品對比

以下是關(guān)于SiC MOSFET的其他挑戰(zhàn)：

碳化硅MOS 溝道電阻高，導(dǎo)致電子遷移率較低。

Vth在柵極偏置較高的情況下會發(fā)生漂移，這意味著柵極到源極的電壓驅(qū)動范圍受到限制。

體二極管具有較高的拐點電壓，因此需要同步整流。

然而，使用安森美的SiC JFET，上述缺陷得以根本解決，因為：

SiC JFET 結(jié)構(gòu)的器件上摒棄 MOS（金屬氧化物）結(jié)構(gòu)，因此器件更加可靠。

在相同芯片面積下，漏極至源極電阻更低。

電容更低，這意味著更快的開關(guān)轉(zhuǎn)換和更高的頻率。

為什么選擇安森美EliteSiC Cascode JFET？

盡管市場上可供選擇的SiC功率半導(dǎo)體種類繁多，但在某些特定應(yīng)用中，一些器件的表現(xiàn)確實比其他器件更為出色。安森美的集成式SiCCascode JFET便是其中的佼佼者，因其低 RDS(ON)、低輸出電容和高可靠性等獨特優(yōu)勢，能夠提供卓越的性能。

此外，碳化硅 Cascode JFET架構(gòu)使用標(biāo)準硅基柵極驅(qū)動器，簡化了從硅到碳化硅的過渡過程，可在現(xiàn)有設(shè)計中實施。因此，它為從硅到碳化硅的過渡提供了靈活性--實施簡單，同時得益于SiC技術(shù)而提供卓越的性能。

這些優(yōu)點幫助安森美的SiCCascode JFET 技術(shù)在其他技術(shù)無法企及的領(lǐng)域大放異彩。碳化硅JFET 的增強性能使其在用于人工智能數(shù)據(jù)中心、儲能和直流快充等 AC-DC 電源單元中實現(xiàn)更高的效率。

隨著對更高功率密度和更緊湊外形需求的增加，安森美SiC Cascode JFET 能夠?qū)崿F(xiàn)更小、更輕和更低成本的終端設(shè)備。由于減少了對電感器和電容器等大體積無源元件的需求，有助于實現(xiàn)更高的功率密度。