SiC-SBD和Si-FRED: 誰能突破功率半導體器件性能天花板？
發布時間：2021-12-28 來源：Vishay 責任編輯：wenwei
【導讀】功gong率lv半ban導dao體ti器qi件jian，也ye被bei稱cheng作zuo電dian力li電dian子zi器qi件jian，是shi用yong於yu電dian力li設she備bei的de電dian能neng變bian換huan和he控kong製zhi電dian路lu的de大da功gong率lv電dian子zi器qi件jian，由you於yu其qi性xing能neng的de優you劣lie直zhi接jie關guan係xi到dao能neng耗hao的de多duo少shao，所suo以yi在zai當dang今jin節jie能neng減jian排pai的de大da趨qu勢shi下xia備bei受shou重zhong視shi，成cheng為wei了le電dian子zi圈quan關guan注zhu的de一yi個ge焦jiao點dian。
既然成為焦點，那麼大家對其的要求也就會越來越高。如果要給“你心目中理想的功率半導體器件”畫個像，相信很多人都會做出如下的描述：
1、高耐壓：由於是和較大的功率打交道，所以耐壓能力會是一個硬指標，為此功率器件製造往往采用不同於一般邏輯器件的半導體工藝。
2、高頻率：更geng高gao的de開kai關guan頻pin率lv不bu僅jin能neng夠gou提ti升sheng功gong率lv器qi件jian自zi身shen的de性xing能neng，還hai能neng夠gou帶dai來lai一yi個ge明ming顯xian的de優you勢shi，就jiu是shi允yun許xu使shi用yong更geng小xiao的de外wai圍wei元yuan件jian，進jin而er減jian小xiao係xi統tong整zheng體ti的de尺chi寸cun。
3、高可靠：由於要承載更高的功率密度，所以功率器件需要耐高溫，具有更高的熱穩定性，以及對抗過流過壓等瞬變的能力。
4、低功耗：影響功率器件功耗的因素有很多，以一個功率二極管為例，其功耗主要包括與反向恢複過程相關的開關損耗、與正向壓降 VF 相關的正向導通損耗，以及反向漏電流帶來的反向損耗。
在現實中，功率器件的開發者就是照著這個“三高一低”的理想樣貌去打造產品的。但麻煩的是，在我們所熟知基於矽（Si）材料的器件中，上述這些優點很難在一顆器件上實現，往往它們彼此之間是互相矛盾的，所以人們就不得不在魚和熊掌之間做取舍。
Si功率器件的瓶頸
而對於功率器件的應用者來說，同樣難於找到一顆能夠滿足自己對功率器件所有期望的“完美”器件，因此在選料時經常會陷入糾結之中。
仍然以二極管為例，如果你想選一款比較“快”的器件——也就是支持更高的開關頻率——大家首先會想到肖特基勢壘二極管（SBD），因為 SBD 不是利用PN結原理製作的，而是利用金屬與半導體接觸形成的金屬-半導體結原理製成的熱載流子二極管，因此在反向恢複時不像 PN 結二極管那樣存在電荷存儲效應，需要一個反向恢複時間 trr 去消除這些電荷，所以其開關速度非常快，開關損耗也小。但是 SBD 有一個缺點，就是反向耐壓做不高，經過工藝改進也隻能達到 200V 左右，這在功率半導體應用方麵，可以說是一個“硬傷”。
而想要提高反向耐壓，就要使用 PN 結jie結jie構gou的de功gong率lv二er極ji管guan，但dan是shi由you於yu反fan向xiang恢hui複fu時shi的de電dian荷he存cun儲chu效xiao應ying，速su度du就jiu快kuai不bu了le。為wei了le解jie決jue這zhe個ge問wen題ti，人ren們men通tong過guo在zai二er極ji管guan中zhong摻chan雜za貴gui金jin屬shu的de方fang法fa開kai發fa出chu了le快kuai速su恢hui複fu和he超chao快kuai速su恢hui複fu二er極ji管guan（FRD），顧名思義這種器件就是在高頻率和高耐壓兩者之間找到了一個最佳平衡點，在確保足夠的反向耐壓特性（通常在 1000V 以上）的同時盡可能縮小反向恢複時間 trr（可以達到幾十納秒），而導致導通壓降變高，得不償失。
但是，隻要是 PN 結 Si 器件，在功耗上都會麵臨著下麵這些挑戰：
● 正向切換到反向時，積聚在漂移層內的少數載流子“消亡”過程中會產生很大的瞬態反向恢複電流，從而產生較大的開關損耗。
● 正向電流越大，或者溫度越高，恢複時間越長，恢複電流越大，損耗也會更大。
● 作為 SBD，想xiang要yao降jiang低di正zheng向xiang開kai啟qi電dian壓ya，減jian少shao正zheng向xiang導dao通tong損sun耗hao，就jiu要yao降jiang低di肖xiao特te基ji勢shi壘lei，但dan肖xiao特te基ji勢shi壘lei的de降jiang低di會hui導dao致zhi反fan向xiang偏pian壓ya時shi的de漏lou電dian流liu增zeng大da，這zhe又you是shi一yi個ge兩liang難nan的de抉jue擇ze。
因此，從上麵的分析可以看出，無論是選擇哪種功率二極管，都不是一個“萬全之策”。究其原因，這是因為製造傳統功率器件的 Si 材cai料liao已yi經jing達da到dao了le其qi物wu理li極ji限xian，哪na怕pa是shi某mou個ge性xing能neng提ti升sheng一yi小xiao步bu都dou很hen難nan，有you時shi還hai會hui對dui其qi他ta性xing能neng帶dai來lai負fu麵mian影ying響xiang。所suo以yi說shuo，想xiang要yao打da破po功gong率lv器qi件jian性xing能neng提ti升sheng的de“天花板”，隻在原有半導體材料上兜兜轉轉是不行的，必須從新材料上尋找突破口。
SiC材料帶來的機會
於yu是shi第di三san代dai寬kuan禁jin帶dai半ban導dao體ti材cai料liao走zou入ru人ren們men的de視shi野ye。其qi實shi對dui這zhe些xie材cai料liao的de研yan究jiu曆li史shi並bing不bu短duan，但dan是shi近jin年nian來lai市shi場chang和he用yong戶hu對dui突tu破po功gong率lv器qi件jian性xing能neng瓶ping頸jing的de渴ke望wang，促cu使shi相xiang關guan材cai料liao的de研yan發fa和he商shang用yong在zai加jia速su，其qi中zhong碳tan化hua矽gui（SiC）就是一個重要的發力點。
SiC 除了具備優異的性能之外，還具有出色的熱穩定性、機械穩定性和化學穩定性，這就為打造新一代的功率器件提供了一塊堅固的基石。
如今，利用 SiC 優異的特質開發創新功率器件的競逐已經開始，在這方麵，Vishay 憑借在功率半導體領域深厚的技術積澱，以及對 SiC 材料的深入理解，開發出了全新的碳化矽肖特基二極管（SiC-SBD）產品，這些功率二極管擊穿電壓可達 650V，包括 4A~20A 單管器件和 16A~40A 的共陰極雙管器件，可在 +175˚C 高溫下工作，且具有高浪湧保護能力，在低功耗表現方麵與傳統的 Si 功率二極管相比，更是一騎絕塵。
圖1：Vishay全新的SiC-SBD產品
看過 Vishay SiC-SBD 的性能參數（見表1），你一定會得出結論——這就是那顆滿足“三高一低”標準的功率器件。
表1：Vishay SiC-SBD 產品主要特性
Vishay SiC-SBD是如何煉成的？
這樣優異的性能是如何煉成的，下麵我們就來細細品讀。
首先，由於 SiC 具有10倍於 Si 材料的絕緣擊穿電場，這意味著即使采用 SBD 的結構，而不是更耐壓的PN結，SiC-SBD 的反向耐壓也可以做到 600V 以上，甚至可以做到數千伏。Vishay 的 SiC-SBD 額定反向耐壓就達到了 650V。
其次，SiC- SBD 同tong樣yang繼ji承cheng了le肖xiao特te基ji二er極ji管guan高gao頻pin高gao速su的de特te性xing，原yuan理li上shang不bu會hui在zai電dian壓ya正zheng反fan轉zhuan換huan時shi發fa生sheng少shao數shu載zai流liu子zi存cun儲chu積ji聚ju的de現xian象xiang，應ying用yong於yu高gao頻pin場chang合he不bu會hui有you壓ya力li。
再有，就是 SiC 器件最為人稱道的功耗上的優勢。
● 第一，由於 SiC-SBD 在反向恢複時沒有PN結的電荷存儲效應，隻產生使結電容放電程度的小電流，所以與 FRD 相比，開關損耗大幅減少。
● 第二，一般高耐壓功率器件的阻抗，主要取決於形成高絕緣擊穿場強的漂移層的阻抗，與Si器件相比，SiC 能夠以更高的雜質濃度和厚度更薄的漂移層實現足夠的耐壓特性，因此單位麵積導通電阻非常低，帶來更低的正向導通損耗。
● 第三，在反向漏電流方麵，Vishay 的 SiC-SBD 也做得不錯，可以有效控製反向損耗的大小。
此外，Vishay的SiC-SBD還有一個特別值得一提的特性，就是其通過采用獨特的MPS（Merged PN Schottky）結構，為器件帶來了更高的浪湧保護能力。簡單地說，MPS 結構就是在 SBD 的正極增加一個 PN 結，當器件通過高電流時，這個 PN 結通過注入少數載流子增加漂移區的導通性，進而將正向電壓 VF 控製在低水平。這樣做的效果顯而易見，從圖3中可以看到，一個“純” SBD 隨著正向電流 IF 的增加，正向電壓 VF 會呈指數級增長；而采用 MPS 架構的 SBD 則無論 IF 的高低，VF 都會保持在一個穩定的水平，顯現出了極佳的浪湧保護能力。
圖2：純SBD結構（左）與基於MPS工藝的SBD（右）的區別
圖3：基於MPS工藝的SBD與純SBD的浪湧保護能力比較
麵對多樣化的需求
通過上文，想必大家都已經對 SiC-SBD 在性能上的優勢印象深刻，但是當開發者進行現實的技術決策時，SiC 器件的一個“不足”還是可能會讓人猶豫，那就是——其成本相對較高。
畢竟，SiC 還是一個比較新的領域，今天其技術和配套產業鏈的成熟度還無法與 Si 器件相比。這也就使得 SiC 器件在短期內還難於覆蓋更全麵的電力電子應用的要求，特別是那些效益成本比要求更高的應用。
也正是由於這個原因，盡管矽基功率器件已經越發接近其理論上的性能“天花板”，但是對其性能潛力深度挖掘的努力仍然沒有停止，而且這同樣也十分考驗廠商實力。因此，Vishay 在加快其 SiC 功率器件創新步伐的同時，也在不斷鞏固自身在矽基功率器件方麵的優勢，第5代 FRED Pt® 超快恢複二極管就是其中的一個代表作。
圖4：Vishay 600V 第5代 FRED Pt®超快恢複二極管
比如 Vishay 推出的 600V第5代 FRED Pt® 超快恢複二極管，支持 15A 至 75A 的電流，在一些特性上，具備了能夠和 SiC-SBD 比肩的實力。
1、開關頻率：該係列產品與同類產品相比，表現十分搶眼，比如 15A 的 VS-E5TX1506-M3 的反向恢複電荷僅為 578nC，反向恢複時間隻需要 19nS。
2、功耗表現：第5代 FRED Pt®在開關損耗、正向損耗和反向損耗特性方麵進行了係統性的改進，因此在 50kHz 頻率應用範圍內，除了SiC器件，可以多一個高性價比的選擇。
3、工作溫度：這個係列的產品，可以支持與 SiC-SBD 相同的 175℃ 最高工作溫度。
4、產品組合：600V 第5代 FRED Pt®係列產品中包括側重更低的 Qrr和更短的 trr的 X 型器件，以及在正向導通壓降上表現更好的 H 型器件，開發者可以根據目標應用的要求進行靈活選擇。而且，目前該係列還可以提供符合 AEC-Q101 標準的車規級產品，這對汽車電子開發者更是一個好消息。
表2：Vishay 600V 第5代 FRED Pt®超快恢複二極管係列產品特性
通過在矽基 FRD 和 SiC-SBD 兩個技術路線上的齊頭並進，Vishay 可以針對多樣化的需求，為開發者提供更多的選擇，不論是追求更高的性能，還是要求優異的成本效益，Vishay 都可以根據客戶實際的要求，提供出色的一站式的解決方案。
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