【導(dǎo)讀】功率半導(dǎo)體器件，也被稱作電力電子器件，是用于電力設(shè)備的電能變換和控制電路的大功率電子器件，由于其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到能耗的多少，所以在當(dāng)今節(jié)能減排的大趨勢下備受重視，成為了電子圈關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。
既然成為焦點(diǎn)，那么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(dǎo)體器件”畫個(gè)像，相信很多人都會做出如下的描述：
1、高耐壓：由于是和較大的功率打交道，所以耐壓能力會是一個(gè)硬指標(biāo)，為此功率器件制造往往采用不同于一般邏輯器件的半導(dǎo)體工藝。
2、高頻率：更高的開關(guān)頻率不僅能夠提升功率器件自身的性能，還能夠帶來一個(gè)明顯的優(yōu)勢，就是允許使用更小的外圍元件，進(jìn)而減小系統(tǒng)整體的尺寸。
3、高可靠：由于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(wěn)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(gè)功率二極管為例，其功耗主要包括與反向恢復(fù)過程相關(guān)的開關(guān)損耗、與正向壓降 VF 相關(guān)的正向?qū)〒p耗，以及反向漏電流帶來的反向損耗。
在現(xiàn)實(shí)中，功率器件的開發(fā)者就是照著這個(gè)“三高一低”的理想樣貌去打造產(chǎn)品的。但麻煩的是，在我們所熟知基于硅（Si）材料的器件中，上述這些優(yōu)點(diǎn)很難在一顆器件上實(shí)現(xiàn)，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
而對于功率器件的應(yīng)用者來說，同樣難于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(shí)經(jīng)常會陷入糾結(jié)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(guān)頻率——大家首先會想到肖特基勢壘二極管（SBD），因?yàn)?SBD 不是利用PN結(jié)原理制作的，而是利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成的金屬-半導(dǎo)體結(jié)原理制成的熱載流子二極管，因此在反向恢復(fù)時(shí)不像 PN 結(jié)二極管那樣存在電荷存儲效應(yīng)，需要一個(gè)反向恢復(fù)時(shí)間 trr 去消除這些電荷，所以其開關(guān)速度非常快，開關(guān)損耗也小。但是 SBD 有一個(gè)缺點(diǎn)，就是反向耐壓做不高，經(jīng)過工藝改進(jìn)也只能達(dá)到 200V 左右，這在功率半導(dǎo)體應(yīng)用方面，可以說是一個(gè)“硬傷”。
而想要提高反向耐壓，就要使用 PN 結(jié)結(jié)構(gòu)的功率二極管，但是由于反向恢復(fù)時(shí)的電荷存儲效應(yīng)，速度就快不了。為了解決這個(gè)問題，人們通過在二極管中摻雜貴金屬的方法開發(fā)出了快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)二極管（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(gè)最佳平衡點(diǎn)，在確保足夠的反向耐壓特性（通常在 1000V 以上）的同時(shí)盡可能縮小反向恢復(fù)時(shí)間 trr（可以達(dá)到幾十納秒），而導(dǎo)致導(dǎo)通壓降變高，得不償失。
但是，只要是 PN 結(jié) Si 器件，在功耗上都會面臨著下面這些挑戰(zhàn)：
● 正向切換到反向時(shí)，積聚在漂移層內(nèi)的少數(shù)載流子“消亡”過程中會產(chǎn)生很大的瞬態(tài)反向恢復(fù)電流，從而產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗。
● 正向電流越大，或者溫度越高，恢復(fù)時(shí)間越長，恢復(fù)電流越大，損耗也會更大。
● 作為 SBD，想要降低正向開啟電壓，減少正向?qū)〒p耗，就要降低肖特基勢壘，但肖特基勢壘的降低會導(dǎo)致反向偏壓時(shí)的漏電流增大，這又是一個(gè)兩難的抉擇。
因此，從上面的分析可以看出，無論是選擇哪種功率二極管，都不是一個(gè)“萬全之策”。究其原因，這是因?yàn)橹圃靷鹘y(tǒng)功率器件的 Si 材料已經(jīng)達(dá)到了其物理極限，哪怕是某個(gè)性能提升一小步都很難，有時(shí)還會對其他性能帶來負(fù)面影響。所以說，想要打破功率器件性能提升的“天花板”，只在原有半導(dǎo)體材料上兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)是不行的，必須從新材料上尋找突破口。
SiC材料帶來的機(jī)會
于是第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料走入人們的視野。其實(shí)對這些材料的研究歷史并不短，但是近年來市場和用戶對突破功率器件性能瓶頸的渴望，促使相關(guān)材料的研發(fā)和商用在加速，其中碳化硅（SiC）就是一個(gè)重要的發(fā)力點(diǎn)。
SiC 除了具備優(yōu)異的性能之外，還具有出色的熱穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，這就為打造新一代的功率器件提供了一塊堅(jiān)固的基石。
如今，利用 SiC 優(yōu)異的特質(zhì)開發(fā)創(chuàng)新功率器件的競逐已經(jīng)開始，在這方面，Vishay 憑借在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域深厚的技術(shù)積淀，以及對 SiC 材料的深入理解，開發(fā)出了全新的碳化硅肖特基二極管（SiC-SBD）產(chǎn)品，這些功率二極管擊穿電壓可達(dá) 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，且具有高浪涌保護(hù)能力，在低功耗表現(xiàn)方面與傳統(tǒng)的 Si 功率二極管相比，更是一騎絕塵。
圖1：Vishay全新的SiC-SBD產(chǎn)品
看過 Vishay SiC-SBD 的性能參數(shù)（見表1），你一定會得出結(jié)論——這就是那顆滿足“三高一低”標(biāo)準(zhǔn)的功率器件。
表1：Vishay SiC-SBD 產(chǎn)品主要特性
Vishay SiC-SBD是如何煉成的？
這樣優(yōu)異的性能是如何煉成的，下面我們就來細(xì)細(xì)品讀。
首先，由于 SiC 具有10倍于 Si 材料的絕緣擊穿電場，這意味著即使采用 SBD 的結(jié)構(gòu)，而不是更耐壓的PN結(jié)，SiC-SBD 的反向耐壓也可以做到 600V 以上，甚至可以做到數(shù)千伏。Vishay 的 SiC-SBD 額定反向耐壓就達(dá)到了 650V。
其次，SiC- SBD 同樣繼承了肖特基二極管高頻高速的特性，原理上不會在電壓正反轉(zhuǎn)換時(shí)發(fā)生少數(shù)載流子存儲積聚的現(xiàn)象，應(yīng)用于高頻場合不會有壓力。
再有，就是 SiC 器件最為人稱道的功耗上的優(yōu)勢。
● 第一，由于 SiC-SBD 在反向恢復(fù)時(shí)沒有PN結(jié)的電荷存儲效應(yīng)，只產(chǎn)生使結(jié)電容放電程度的小電流，所以與 FRD 相比，開關(guān)損耗大幅減少。
● 第二，一般高耐壓功率器件的阻抗，主要取決于形成高絕緣擊穿場強(qiáng)的漂移層的阻抗，與Si器件相比，SiC 能夠以更高的雜質(zhì)濃度和厚度更薄的漂移層實(shí)現(xiàn)足夠的耐壓特性，因此單位面積導(dǎo)通電阻非常低，帶來更低的正向?qū)〒p耗。
● 第三，在反向漏電流方面，Vishay 的 SiC-SBD 也做得不錯(cuò)，可以有效控制反向損耗的大小。
此外，Vishay的SiC-SBD還有一個(gè)特別值得一提的特性，就是其通過采用獨(dú)特的MPS（Merged PN Schottky）結(jié)構(gòu)，為器件帶來了更高的浪涌保護(hù)能力。簡單地說，MPS 結(jié)構(gòu)就是在 SBD 的正極增加一個(gè) PN 結(jié)，當(dāng)器件通過高電流時(shí)，這個(gè) PN 結(jié)通過注入少數(shù)載流子增加漂移區(qū)的導(dǎo)通性，進(jìn)而將正向電壓 VF 控制在低水平。這樣做的效果顯而易見，從圖3中可以看到，一個(gè)“純” SBD 隨著正向電流 IF 的增加，正向電壓 VF 會呈指數(shù)級增長；而采用 MPS 架構(gòu)的 SBD 則無論 IF 的高低，VF 都會保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平，顯現(xiàn)出了極佳的浪涌保護(hù)能力。
圖2：純SBD結(jié)構(gòu)（左）與基于MPS工藝的SBD（右）的區(qū)別
圖3：基于MPS工藝的SBD與純SBD的浪涌保護(hù)能力比較
面對多樣化的需求
通過上文，想必大家都已經(jīng)對 SiC-SBD 在性能上的優(yōu)勢印象深刻，但是當(dāng)開發(fā)者進(jìn)行現(xiàn)實(shí)的技術(shù)決策時(shí)，SiC 器件的一個(gè)“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(gè)比較新的領(lǐng)域，今天其技術(shù)和配套產(chǎn)業(yè)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(nèi)還難于覆蓋更全面的電力電子應(yīng)用的要求，特別是那些效益成本比要求更高的應(yīng)用。
也正是由于這個(gè)原因，盡管硅基功率器件已經(jīng)越發(fā)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(yàn)廠商實(shí)力。因此，Vishay 在加快其 SiC 功率器件創(chuàng)新步伐的同時(shí)，也在不斷鞏固自身在硅基功率器件方面的優(yōu)勢，第5代 FRED Pt? 超快恢復(fù)二極管就是其中的一個(gè)代表作。
圖4：Vishay 600V 第5代 FRED Pt?超快恢復(fù)二極管
比如 Vishay 推出的 600V第5代 FRED Pt? 超快恢復(fù)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(shí)力。
1、開關(guān)頻率：該系列產(chǎn)品與同類產(chǎn)品相比，表現(xiàn)十分搶眼，比如 15A 的 VS-E5TX1506-M3 的反向恢復(fù)電荷僅為 578nC，反向恢復(fù)時(shí)間只需要 19nS。
2、功耗表現(xiàn)：第5代 FRED Pt?在開關(guān)損耗、正向損耗和反向損耗特性方面進(jìn)行了系統(tǒng)性的改進(jìn)，因此在 50kHz 頻率應(yīng)用范圍內(nèi)，除了SiC器件，可以多一個(gè)高性價(jià)比的選擇。
3、工作溫度：這個(gè)系列的產(chǎn)品，可以支持與 SiC-SBD 相同的 175℃ 最高工作溫度。
4、產(chǎn)品組合：600V 第5代 FRED Pt?系列產(chǎn)品中包括側(cè)重更低的 Qrr和更短的 trr的 X 型器件，以及在正向?qū)▔航瞪媳憩F(xiàn)更好的 H 型器件，開發(fā)者可以根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用的要求進(jìn)行靈活選擇。而且，目前該系列還可以提供符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)的車規(guī)級產(chǎn)品，這對汽車電子開發(fā)者更是一個(gè)好消息。
表2：Vishay 600V 第5代 FRED Pt?超快恢復(fù)二極管系列產(chǎn)品特性
通過在硅基 FRD 和 SiC-SBD 兩個(gè)技術(shù)路線上的齊頭并進(jìn)，Vishay 可以針對多樣化的需求，為開發(fā)者提供更多的選擇，不論是追求更高的性能，還是要求優(yōu)異的成本效益，Vishay 都可以根據(jù)客戶實(shí)際的要求，提供出色的一站式的解決方案。
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