SiC功率半導(dǎo)體器件的優(yōu)勢(shì)及發(fā)展前景(劉)(2015)

1、SiC功率半導(dǎo)體器件的優(yōu)勢(shì)及發(fā)展前景中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 劉忠立報(bào)告內(nèi)容1. Si功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展歷程及限制2. SiC功率半導(dǎo)體器件的的優(yōu)勢(shì)3. SiC功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展前景1. Si功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展歷程及限制 Si功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展經(jīng)歷了如下三代: 第一代-Si雙極晶體管(BJT )、晶閘管（SCR）及其派生器件。 功率晶閘管用來實(shí)現(xiàn)大容量的電流控制，在低頻相位控制領(lǐng)域中已得到廣泛應(yīng)用。但是,由于這類器件的工作頻率受到dV/dt、di/dt的限制，目前主要用在對(duì)柵關(guān)斷速度要求較低的場(chǎng)合（在KHz范圍）。 在較高的工作頻率，一般采用功率雙極結(jié)晶體管，但是對(duì)以大功率為應(yīng)用目標(biāo)的B

2、JT，即使采用達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，在正向?qū)ê蛷?qiáng)迫性柵關(guān)斷過程中，電流增益值一般也只能做到2x104A/cm2),線性區(qū)的電流密度達(dá)到570A/cm2,具有低到1.9m-cm2比導(dǎo)通電阻,其特性非常優(yōu)良。4) 平面功率MOSFET 平面功率MOSFET如右圖所示。對(duì)于SiMOSFET,當(dāng)擊穿電壓超過200V時(shí), 導(dǎo)通電阻增加。在高電壓時(shí)其比導(dǎo)通電阻大于10-2 -cm2,它導(dǎo)致導(dǎo)通電流密度為100A/cm2時(shí)導(dǎo)通壓降大于1V。盡管改進(jìn)的結(jié)構(gòu)可以使其工作在600V以上，但是比導(dǎo)通電阻仍然很大，從而限制了它在高頻下應(yīng)用。SiC功率MOSFET可以克服平面功率MOSFET的缺點(diǎn)，而安全工作區(qū)又比Si 的IG

3、BT好。 右圖示出4H-SiC及Si的平面功率同 MOSFET的比導(dǎo)通電阻的比較?？梢钥闯?，對(duì)容易實(shí)現(xiàn)的電子遷移率inv=10cm2/V.S， 在1000V擊穿電壓時(shí)，4H-SiC器件的比導(dǎo)通電阻為Si器件的幾十分之一。而當(dāng)inv=100cm2/V.S時(shí)，4H-SiC器件的比導(dǎo)通電阻比Si器件的小100倍以上。5) 槽柵功率MOSFET 槽柵功率MOSFET增大了器件的溝道密度，同時(shí)消除了寄生JFET的串聯(lián)電阻，因而改善了功率MOSFET的特性。下圖示出4H-SiC槽柵功率MOSFET同平面功率MOSFET比導(dǎo)通電阻的比較，可以看出，在1000V擊穿電壓下，槽柵器件的比導(dǎo)通電阻約改善了10倍。

4、3. SiC功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展前景 由于SiC功率半導(dǎo)體器件在電力電子應(yīng)用領(lǐng)域具有節(jié)電節(jié)能及減小體積方面的巨大優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景，由此各國(guó)大力投入，競(jìng)相研究，并且在器件研究及應(yīng)用方面不斷地取得領(lǐng)人振奮的成績(jī)。 在發(fā)展工業(yè)用的SiC功率半導(dǎo)體器件中，首先推出的是SiC肖特基二極管，2001年Infineon公司推出300V-600V(16A)的產(chǎn)品，接著Cree公司于2002年推出600V-1200V(20A)的產(chǎn)品，它們主要用在開關(guān)電源控制及馬達(dá)控制中，IGBT中的續(xù)流二極管也是它們的重要用途。2004年Cree公司銷售該系列產(chǎn)品達(dá)300萬美元,此后銷售額逐年上升 在軍用方面，美國(guó)Cree公司受

5、軍方資助，已開發(fā)出10kV/50A的SiC PiN整流器件和10kV的SiC MOSFET。下一步他們將要按比例縮小這些器件的尺寸，以得到10kV/110A的器件模塊，并將它們用于航母的電氣升級(jí)管理中去。 在歐洲，德國(guó)、法國(guó)及西班牙將SiC MOSFET用于太陽能逆變器，獲得98.5%的效率,它的普遍推廣，將帶來極可觀的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益。三相光伏逆變器B6-Bridge750 DCV7 kW開關(guān)頻率：16.6 kHz功率半導(dǎo)體器件IGBT 2 (BSM15GD120DN2), IGBT 3 (FS25R12YT3), IGBT 4 (FS25R12W1T4)SiC-MOSFET (CNM 100

6、9)示例1三相光伏逆變器效率20年內(nèi)IGBT將會(huì)和目前的SiC元件具有同樣的性能一臺(tái)利用SiC晶體管7kW光伏逆變器的經(jīng)濟(jì)效益 能量增益 (每年)最大再生能源發(fā)電補(bǔ)助/KWA效率提高代來的增益(每年)效率提高帶來的增益(10年) 佛萊堡 (德國(guó)) 140KWh 0.45EUR 63EUR 630EUR 阿爾梅亞 (西班牙) 275KWh 0.44EUR 121EUR 1210EUR 馬 賽 (法國(guó)) 250KWh 0.55EUR 137EUR 1370EUR單相HERIC-逆變器H4-橋 + HERIC-開關(guān)管350DCV5 kW開關(guān)頻率：16 kHz功率半導(dǎo)體器件IGBT: FGL40N12

7、0ANDSiC Transistors: MOSFET (CNM 1009), JFET (SJEP120R063)SiC Diodes: C2D20120D示例2單相HERIC-Inverter效率當(dāng)MOSFET高溫時(shí)，采用MOSFET和JFETs 的效率相等測(cè)量結(jié)果包括輔助源的損耗效率與溫度的關(guān)系(HERIC-逆變器)最高效率和溫度無關(guān)更小的散熱裝置損耗減半散熱裝置溫度可以更高效率與電壓關(guān)系(HERIC-逆變器)SiC晶體管最高效率與直流電壓關(guān)系不大可以用于寬范圍的輸入電壓逆變器最高效率提升圖 未來Si的IGBT有望用SiC功率MOSFET代替，而Si的iN整流二極管將會(huì)被SiC肖特基二極管取代。另外，由于SiC PN結(jié)二極管可以用低壽命的飄移區(qū)實(shí)現(xiàn)快恢復(fù)，在應(yīng)用時(shí)， SiC功率MOSFET的內(nèi)部體二極管可以取代并聯(lián)的肖特基二極管，它將有利于