——即將騰飛的新一代半導(dǎo)體技術(shù)

silicon carbide semicondutor technology:

——a new generation of semiconductors is about to take off

電源設(shè)計(jì)者們仿佛正在目睹一個(gè)新的半導(dǎo)體技術(shù)的誕生。隨之而來(lái)的新一代功率半導(dǎo)體器件遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有的硅技術(shù)。sic材料可以讓器件具有迄今為止設(shè)計(jì)工程師們夢(mèng)寐以求卻不能得到的出色特性。其最重要的優(yōu)點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：

● 工作結(jié)溫高達(dá)225℃，而相應(yīng)的漏電流只有適度的增加。由于本質(zhì)上不會(huì)出現(xiàn)熱偏移(thermal run－away)，故可以在很高的結(jié)溫下可靠的工作。

● 沒(méi)有正向或反向恢復(fù)，故即使在高溫下以高頻工作時(shí)，也沒(méi)有開(kāi)關(guān)損耗。甚至可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)損耗極小、頻率高達(dá)1mhz 的深度切換(hard switching)。

● 正向電阻具有正溫度系數(shù)，這樣就有可能安全的通過(guò)并聯(lián)若干器件來(lái)提高功率。

● 能承受的擊穿電壓要高得多，所以能經(jīng)受住高達(dá)4500v的高壓。這對(duì)硅功率器件來(lái)說(shuō)是不可想象的。

● 簡(jiǎn)而言之，sic元件離夢(mèng)想中的理想器件已經(jīng)不遠(yuǎn)了。不妨可以這樣來(lái)看，即sic二極管與超高速硅二極管相比，恰如mosfet晶體管與雙極型器件相比。

硅二極管限制了電源的進(jìn)步

功率半導(dǎo)體工業(yè)永無(wú)止境的競(jìng)賽(功率更高而體積更小、價(jià)格更低)，在很大程度上表現(xiàn)為mosfet方面的極速角逐，人們不斷引入電流、電壓更高而rdson 更低的新器件，它們帶來(lái)了許多新的特征，封裝中也集成了越來(lái)越多的元件。新型mosfet的推出如此之頻繁，以至于設(shè)計(jì)工程師幾乎無(wú)法跟上潮流。一項(xiàng)產(chǎn)品從工程研發(fā)走向生產(chǎn)階段時(shí)，設(shè)計(jì)中選用的大多數(shù)mosfet又可以為更好的、價(jià)格幾乎只有一半的新器件所取代。

不過(guò)這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)帶來(lái)的性能更優(yōu)良的超高速恢復(fù)硅或肖特基二極管卻要少得多。這些器件主要用作smps(開(kāi)關(guān)式電源)中的輸出整流或pfc(功率因數(shù)修正)電路中的閉鎖(保護(hù))二極管。這些器件是當(dāng)前限制電源工業(yè)進(jìn)步的主要原因。它們?cè)诟哳l開(kāi)關(guān)過(guò)程中的恢復(fù)特性較差，這使其實(shí)際使用被限制在工作頻率小于150khz的pfc電路方面，以及不能使用肖特基二極管的整流電路中。飽受挫折的設(shè)計(jì)工程師仍然渴望在二極管技術(shù)方面取得突破，以和晶體管的能力相匹配。新型的sic二極管已表明其非常有可能引起這一突破。誠(chéng)然，它們現(xiàn)在價(jià)格比si二極管要高2_3倍，但新型半導(dǎo)體材料引入過(guò)程的歷史經(jīng)驗(yàn)表明在2_3年內(nèi)其價(jià)格將大大下降。

展望未來(lái)，sic屆時(shí)將會(huì)在整個(gè)半導(dǎo)體工業(yè)中掀起一場(chǎng)革命，為通用電子產(chǎn)品和汽車應(yīng)用開(kāi)辟新的前沿——而不僅僅在功率電子方面。電源設(shè)計(jì)者們?yōu)榇松钍芄奈�，也就不值得驚奇了。 不過(guò)就目前而言，關(guān)注焦點(diǎn)放在sic二極管上，因?yàn)檫�不能獲得有商用價(jià)值的三極管。然而這不過(guò)是時(shí)間問(wèn)題。因?yàn)闅W洲的infineon、siced和北美的半導(dǎo)體材料制造商cree research的實(shí)驗(yàn)室正在全力以赴進(jìn)行研發(fā)。

sic和pfc——完美的一對(duì)兒

sic二極管最適合用于頻率極高的pfc電路，在這類電路中，常規(guī)的肖特基二極管或gaas二極管由于最大截?cái)嚯妷簝H為250v而不堪使用。與之類似的超快恢復(fù)(35ns_50ns)硅二極管由于恢復(fù)功率損耗過(guò)大而不能有效用于150khz以上的pfc電路中。很高的(di/dt) 恢復(fù)電流會(huì)產(chǎn)生高頻電壓振鈴和能漏入邏輯電路中的噪聲信號(hào)。其結(jié)果是pfc電路多方面性能的下降：效率降低、電磁干擾嚴(yán)重、可靠性變差。故此，在150khz以上的(深度切換)pfc電路中采用超高速(35ns)si二極管是不可取的。

sic的優(yōu)點(diǎn)

ｓ脛�緯上拭鞫員鵲氖牽�璨牧系穆┑緦鞲�擼��宜嫖露瘸手甘©形式增加，出現(xiàn)熱偏移，使器件最終損壞。

cm2)的條件下可以承受3 000v的電壓。故此，pfc用600v二極管是處在sic實(shí)際可使用范圍之內(nèi)的。由于認(rèn)識(shí)到其廣闊的應(yīng)用前景帶來(lái)的重要性，infineon將其作為新的sic二極管產(chǎn)品系列中進(jìn)行商業(yè)推廣的目標(biāo)——600v6a和600v/12a二極管，均采用to－220外殼。在分銷時(shí)，這些是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。

sic靜態(tài)特性內(nèi)在的另一個(gè)好處是所謂的“面積決定的差分導(dǎo)通電阻”所具有的正溫度系數(shù)。二極管正向電阻以可以預(yù)測(cè)的方式隨溫度增加，使得多個(gè)器件可以安全的并聯(lián)以滿足更高的電流應(yīng)用要求。與si二極管相比這是一個(gè)極為重要的優(yōu)點(diǎn)。由于si二極管的特性正好相反，故不能有效的并聯(lián)。

就目前而言，在新設(shè)計(jì)中使用的sic二極管不久將使開(kāi)關(guān)頻率從150khz提高到500khz，而且使pfc所需電感的尺寸和價(jià)格下降30％_40％。這一下降補(bǔ)償了采用sic二極管而增加的成本，雖然目前只能是部分補(bǔ)償。

sic有助于提高效率和可靠性(與電流和電壓指標(biāo)相同的超高速二極管相比)，這能在一定程度上或完全抵消在高端、高密度應(yīng)用中由于價(jià)格增加帶來(lái)的不利影響。

sic技術(shù)應(yīng)用在其他器件中的延伸

一些sic技術(shù)的主要開(kāi)發(fā)商(infineon，siced——均為德國(guó)公司)