同樣位於元素周期表第四欄的元素
，矽(Si)，鍺(Ge)都是被最早用於半導體材料的元素，而碳元素(C)卻不是。

 

碳(tan)元(yuan)素(su)在(zai)石(shi)墨(mo)結(jie)構(gou)下(xia)是(shi)導(dao)體(ti)，而(er)在(zai)金(jin)剛(gang)石(shi)結(jie)構(gou)下(xia)，由(you)於(yu)共(gong)價(jia)鍵(jian)躍(yue)遷(qian)能(neng)帶(dai)比(bi)較(jiao)大(da)，是(shi)絕(jue)緣(yuan)體(ti)。同(tong)樣(yang)是(shi)金(jin)剛(gang)石(shi)結(jie)構(gou)的(de)矽(gui)元(yuan)素(su)由(you)於(yu)共(gong)價(jia)鍵(jian)比(bi)較(jiao)弱(ruo)，共(gong)用(yong)電(dian)子(zi)對(dui)定(ding)域(yu)性(xing)較(jiao)差(cha)
，在(zai)一(yi)定(ding)電(dian)壓(ya)下(xia)電(dian)子(zi)就(jiu)會(hui)解(jie)離(li)，體(ti)現(xian)半(ban)導(dao)體(ti)性(xing)質(zhi)。

 

如果將矽(Si碳(C)組成碳化矽(SiC)化合物
，則形成寬禁帶半導體（3V）。普通的矽（Si）半導體的禁帶隻有1.1V。

 

左邊：碳化矽(SiC)晶體；右邊：SiC晶體結構

 

由SiC製作的MOSFET耐壓高
，或者在同樣的耐壓要求下
，MOSFET的尺寸就小，從而大大降低了MOS管的導通電阻和傳熱熱阻。

 

使用SiC製作的MOSFET在近期在大功率、高電壓
、高頻率應用越來越廣泛。

 

 

恰好手邊有如下功率MOS管，左邊為碳化矽MOS管，型號為C2M0080120，它的耐壓為1200V


，導通電阻80m歐姆。

 

中間的是普通的N溝道MOS管，形式是IRF450。它的耐壓為500V，額定工作電流為13A。

 

右邊是IGBT，型號為50N6S2。耐壓為600V，額定工作電流為75A。

 

左：SiC：C2M0080120;1200V,31.6A, 80mΩ

中：MOSFET:IRF450:500V,13A：

右：IGBT:50N6S2, 600V,75A

 

下麵是對這三種MOS測量它們的漏極-源極之間的擊穿電壓。將控製柵極與源極之間短路。

 

下圖為IGBT 50N6S2測試結果。當電壓超過150V的時候
，漏極電流就開始激增。這個數值遠比其數據手冊標稱的600V小得多。

 

 

對於IRF450的擊穿電壓測試曲線，當電壓超過600V的時候
，漏極電流激增。這與該期間的數據手冊上標稱的耐壓基本相當。

 

 

碳化矽MOS管C2M0080的漏極擊穿電壓曲線如下
，當電壓超過1000V之後，電流呈現激增。的確SiC管子的耐壓不俗。

 

 

下麵對照一下C2M0080與IRFP460導通電阻之間的差異。在柵極控製電壓為24V時，通過3A左右的電流，通過測量漏極-源極之間的電壓來計算導通電阻。

 

C2M00801021的導通電阻大約為70毫歐姆（0.07Ω）。

 

 

IRFP460的導通電阻大約為225毫歐姆（0.225Ω）。它比C2M0080導通電阻大了3倍左右。

 

 

出色的高耐壓和低導通電阻使得碳化矽MOS管在大功率半導體電路中表現出色。特別對於高電壓電路，在同樣的功率密度下，碳化矽MOS自身損耗很小
，有的場合甚至可以不使用散熱片便可以獲得同樣功率輸出。

 

雖然SiC功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)有(you)著(zhe)很(hen)多(duo)優(you)點(dian)，但(dan)它(ta)也(ye)有(you)自(zi)身(shen)的(de)一(yi)些(xie)缺(que)點(dian)。比(bi)如(ru)它(ta)的(de)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)電(dian)壓(ya)要(yao)求(qiu)高(gao)
，自(zi)身(shen)寄(ji)生(sheng)反(fan)向(xiang)導(dao)通(tong)二(er)極(ji)管(guan)的(de)電(dian)壓(ya)高(gao)，這(zhe)對(dui)於(yu)一(yi)些(xie)需(xu)要(yao)依(yi)賴(lai)於(yu)MOS管自身反向導通二極管的電路來說，反向導通二極管導通電壓會影響電路性能。

 

對比SiC和Si功率MOS管寄生反向二極管的導通電壓

 

SiC管價格高到也影響到它的應用普及。

 

作者：卓晴

來源：TsinghuaJoking