碳化硅在大功率电力电子器件中的应用摘要：功率半导体器件是电力电子技术的关键元件。与传统的硅功率器件相比，碳化硅功率器件能够承受更高的电压，具有更低的寄生参数（寄生电容、电阻和电感），更小的器件尺寸和更短的响应时间。开关速度的提高不但可以降低系统功率损耗，而且能够允许使用更小的变压器和电容器，大大减小了系统的整体尺寸和质量。而且，碳化硅的耐高温特性大大降低了系统的散热设计，允许使用更小的散热片及风扇，降低散热器体积及功率损耗。因此，碳化硅器件有望从本质上提高电力电子功率转换设备的效率和功率密度。本文对碳化硅材料特性做简单的介绍，进而深刻了解碳化硅器件的物理和电气特性，并对碳化硅在电力电子主要功率器件器件二极管、MOSFET、GTO、IGBT、IGCT的电气特性和初步应用等问题进行探讨。关键词：电力电子器件，碳化硅，二极管，MOSFET，GTO，IGBT，IGCT

　　碳化硅(SiC)的优异特性随绿色经济的兴起而兴起。在提高电力利用效率中起关键作用的是电力电子功率器件。如今降低功率器件的能耗已成为全球性的重要课题。同时，借助于微电子技术的发展，以硅器件为基础电力电子功率器件MOSFET及IGBT等的开关性能已随其结构设计和制造工艺的完善而接近其由材料特性决定理论极限，依靠硅器件继续完善提高和电力电子电子装置与系统性能的潜力已十分有限。在这种情况下，碳化硅器件受到人们青睐。碳化硅器件耐高温(工作温度和环境温度)、抗辐射、具有较高的击穿电压和工作频率，适于在恶劣条件下工作。与传统的硅器件相比，日前已实用的SiC器件可将功耗降低一半，由此将大大减少设备的发热量，从而可大幅度降低电力功率变换器的体积和重量。但由于其制备工艺难度大，器件成品率低，因而价格较高，影响了其普通应用。

　　近几年来，实用化和商品化的碳化硅肖特基势垒功率二极管，以其优良特性证实了半导体碳化硅在改善电力电子器件特性方面巨大的潜在优势。最近，Cree公司报道了耐压近2000V、电流大于100A、工作温度高于200℃的晶闸管。这一报道被视为大功率碳化硅电力电了器件发展的一个里程碑，为将来碳化硅功率器件的广泛应用奠定了基础。碳化硅的特性分析就电力电子器件而言，硅材料并不是最理想的材料，比较理想的材料应当是，临界雪崩击穿电场强度、载流子饱和漂移速率和热导率都比较高的宽禁带半导体材料，比较典型的有砷化镓、碳化硅等。特别是碳化硅肖特基二极管在本世纪初投放市场并获得良好的实际应用效果后，进一步增强了人们大力发展碳化硅电力电子器件的信心。概括了碳化硅材料的主要物理参数。

　　迄今为止观察到的碳化硅同质异晶形态就有百余种之多，但主要的同素异构体为3C-SiC、4H-SiC及6H-SiC几种。6H-SiC与4H-SiC禁带宽度分别为3.0eV、3.25eV，相应本征温度可达到800℃以上。即使是禁带宽度最窄的3C-SiC，其禁带宽度也达到了2.3eV左右。目前，商用的碳化件嚣件多为4H-SiC。用碳化硅做成器件，其工作温度有可能超过600℃[3]，而其电学特性不会受到太大的影响。功率开关器件反向电压承受能力与漂移区(单极器件)或基区(双极器件)的长度和电阻率有关，而单极功率开关器件的通态电阻有直接决定于漂移区长度和电阻率，与制造材料击穿电厂强度的立方成反比。使用击穿电场强度高的材料制作高压功率开关，其电阻率不必选择太高，器件漂移区或基区长度不必太长。热导率高则使碳化硅器件可以在高温下长期稳定工作。此外，碳化硅目前唯一可以使用热氧化法生成高品质本体氧化物化合物半导体。这使其可以像硅一样用来制造MOSFET和IGBT这样含有MOS结构的器件。碳化硅器件有很好的反向特性，与Si器件相比，SiC二极管具有很小的反向恢复电流和极端的反向恢复时间。在较低的击穿电压（~50V）情况下，单极SiC器件的通态电阻小于硅器件的1/100，在较高的击穿电压（~5000V）的条件下，单极SiC器件的通态电阻小于硅器件的1/300。SiC器件具有较小的通态电阻，因此具有较小的通态损耗和更高的效率。

　　SiC电力电子器件的发展随着大硅片上市，以及高品质6H-SiC和4H-SiC外延层生长技术紧随其后的成功应用，各种硅功率器件演技与和开发随即蓬勃发展起来。目前，各种功率器件都已证实可以改用碳化硅来制造。尽管产量、成本以及可靠性问题仍对其商品化有所限制，但碳化硅器件代替硅器件的过程已经开始。现在，在电力电子系统中主要应用二极管、MOSFET、GTO、IGBT、IGCT都已经有对应的碳化硅产品。

　　碳化硅IGBT虽然SiC场效应器件的阻断电压可以做到硅器件无法达到的10kV，但更高的阻断电压也面临通态电阻问题，所以，人们对SiC IGBT寄予厚望。对SIC IGBT的研发工作起步较晚，1999年才首见报道了一个阻断电压只有790V的P够到4H-SiC IGBT，且其通态压降很高，在电流密度为75A/cm2时就达到了15V。这说明SiC IGBT在阻断电压不高的情况下相对于SiC MOSFET并没有什么优势，其优势只在10kV以上的高压领域。近年来，SIC高压IGBT的研发工作已有较大进展，目前遇到的主要困难在于P沟道IGBT的源极接触电阻偏高，而N沟道的IGBT又需要P型碳化硅材料做衬底。因此，SiC IGBT的研发工作的实质进展还有待于材料和工艺的进一步发展。

　　纵观电力电子技术的发展，每一次新型半.导体材料的开发和应用都能促进进电力电子系统与器件技术的革新。对于电力系统应用来说，碳化硅材料优势不仅提高器件耐压能力，更重要还其能大幅度降低了功率损耗。已上市的碳化硅肖特基势垒二极管和实验室里其他碳化硅功率器件都证实了这一点。碳化硅与硅电力电子技术领域竞争的另一优势是能够兼顾器件的功率和频率，以及耐高温特性。可以预言，碳化硅功率件及其在电力系统应用的广泛应用不久将会到来。

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