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来源:电力电子技术杂谈

半导体器件需要解决的核心问题在于降低损耗,实现更高效率的电气转换。传统的Si器件在走过了半个多世纪的时间之后似乎已经山穷水尽,但人们在探索更高效率更高功率密度的路上并未停止脚步,人们开始把目光投向性能更优异的宽禁带器件。Cree、Wolfspeed、Infineon不断推出新的SiC、GaN器件,而宽禁带器件的应用也验证了其具有的优良特性,那么Si器件的瓶颈在哪里?宽禁带器件相比于Si器件有什么不同?是什么原因造成其具有的更好的特性?


开关器件的不理想性

对于功率变换器来说,半导体器件工作在开关状态,即要么导通,要么关断,理想的电压电流波形如下左图所示。导通状态流过电流,压降为0,关断状态电流为零。但实际上导通的时候有导通压降 VF,产生导通损耗,关断的时候有漏电流I,产生关断损耗,开关切换过程电压电流的交叠,产生开关损耗

开关器件电压电流波形

目前主流的功率半导体器件当MOSFET与IGBT莫属。

MOSFET作为单极性器件,开关速度快,所以开关过程中的电压电流交叠小,开关损耗小,因此MHz的开关频率完全不在话下。但是经常只能看到MOSFET用于低压大电流的场合,而在高压场合(1000V以上)几乎看不到MOSFET的身影。这是因为高压的MOS导通电阻极大,MOSFET的导通电阻RDSon 与耐受电压VDSS 基本满足关系

即耐受电压升高一倍,导通电阻将变为原来的5到6倍,因此高压MOSFET导通损耗非常大,从而制约了MOSFET在高压场合的应用,我所知道的MOSFET最高就是950V,不过据说有做到更高的,只不过没什么市场,因为损耗太大。

为了弥补功率器件在高压场合的空缺,IGBT横空出世。相较于MOSFET,IGBT多了一层P掺杂层,摇身一变,成为双极性器件,而其具有的电导调制效应能够显著降低电阻,因此高压的IGBT依然能够保持比较低的导通压降,从而显著减小导通损耗。但电导调制效应是把双刃剑,关断时,少数载流子需要自然复合,而这一过程没有外加电场,所以导致电流拖尾的存在,因此开关损耗非常大,从而制约了IGBT在高频场合的应用,一般工作频率也只能在几kHz的水平。

由此看来,MOSFET短板在于导通损耗,IGBT短板在于开关损耗。而IGBT其实是MOSFET无法继续往高压发展之后妥协的产物(IGBT仅仅是比MOSFET多了一层掺杂而已),作为双极性器件的IGBT在关断的时候的电流拖尾难以避免,因此开关频率无法提高。开关频率如果能够提高,就意味着无源元件(比如滤波器)体积可以做得很小。下图可以看到工频(50Hz)变压器和高频(1MHz)平面变压器的大小对比

工频变压器

平面变压器

因此高频是未来电源发展的必然趋势,由此看来IGBT似乎已经到了穷途末路。我们不禁要想,高压MOSFET的瓶颈如何突破。

功率MOSFET结构及原理

功率mosfet结构如下图所示

Power MOSFET Structure

导通分析

其中,栅极为紫色区域,源极为上方深红色区域,漏极为最下方。P+或者N+表示重掺杂的Si,N-表示轻掺杂的Si。重掺杂的部分由于自由载流子多,所以导电性能强,轻掺杂则导电性能弱,关于掺杂可以参考Doping(semiconductors)。

那我们来分析MOSFET在导通和关断的时候都是什么样的过程。从下(D极)往上看(S极),N+是良导体,N-和P+构成PN结二极管,因此如果DS加正电压,二极管反向截止,管子关断。

当GS加正电压,栅极积聚正电荷,吸引N+中的电子积聚到靠近SiO2层,从而形成耗尽层。当GS加电压足够大(VGS>VTH )时,形成反型层,从而形成了沟道,负电荷就可以从N+经过沟道到达N-,开始沿着电场线漂移(这也是为什么N-下半部分叫漂移区的原因),因此电流相当于绕过了二极管,走另外一个通道。

沟道形成

因此导通电阻的组成为

其中,RChannel 为沟道电阻, Rdrift 为漂移区电阻。对于高压MOS管来说,漂移区的电阻占据绝大部分比重。既然如此,把漂移区的电阻减小就可以实现导通电阻的降低,由于漂移区电阻满足

其中, LSCR 为空间电荷区宽度,可以简单理解为N-区的厚度,n 为掺杂浓度。那么掺杂增大,或者把器件做薄就OK啦,真的是这样吗?我们再来看关断的时候发生什么。

关断分析

当GS上不给驱动信号之后,如下图所示

如图所示,器件恢复到关断状态。此时器件内部需要产生跟外部提供的相同的电势,才能使得电场抵消,载流子维持动态平衡。根据Poisson方程 ,器件中的电位分布以及电场分布满足以下关系式

其中 ND 为均匀掺杂的浓度。电场梯度正比于掺杂浓度,掺杂浓度越高,上图左侧的电场变化斜率增大,而根据 

所以耐压值为电场强度沿电场线的积分。

按照先前的分析,想要降低导通电阻,就要增大掺杂浓度,并做薄器件。那么在相同的耐压下(即E下包围的面积相同),P+与N-交界处的电场强度就需要增大,否则将会发生器件的雪崩击穿。而Si器件的击穿场强最大为0.2MV/cm(Breakdown Field Comparison),这就是Si器件作为半导体器件材料的瓶颈根源所在。

因此想要降低导通损耗,归根结底需要提高材料的最大击穿场强。而宽禁带器件,在最大击穿场强上有得天独厚的优势。

更薄的器件意味着更大的电场强度

宽禁带器件

给出SiC的击穿场强,说明,SiC器件就可以大大降低厚度,从而降低导通电阻

半导体材料对比

表格资料来自(semiconductor comparison)。从表格中可以看出,SiC器件的击穿场强为2.4MV/cm,为Si器件的12倍。因此SiC器件就能做到掺杂浓度更高,而且器件更薄,从而实现在高耐压的情况下仍然能够保持比较低的导通电阻。

这里列举Infineon的IPD95R750P7与Cree的E3M0065090D,可见一斑

Si MOS对比SiC MOS

而器件的理论极限如下图所示

半导体器件理论极限

可以看到SiC器件在高压场合具有非常大的优势,这就是宽禁带器件带给我们的好处。GaN器件性能甚至更好,但是GaN是平面结构的MOS,与先前讲的垂直结构不相同,所以这里不展开讨论。

One More Thing

作为宽禁带器件材料,SiC的优点还不仅仅是降低了导通损耗。对于功率开关管来说,除了关注发热,我们自然需要关注散热。SiC材料的导热系数为3-5,是Si材料(1.5)的两到三倍,甚至优于任何金属材料。因此SiC散热将更容易实现。

不仅如此,大家应该知道Si器件的结温一般只能用到200°C左右。主要限制原因在于温度太高,本征载流子浓度太大(即温度太高逐渐失去半导体特性,变为导体)。

本征载流子浓度随温度变化关系

从上图可以看出,SiC的本征载流子浓度远远低于Si器件,因此SiC器件用到六七百度也是可以正常工作的(当然前提是封装也需要能够耐受住这么高的温度)

总结

宽禁带器件具有的高击穿场强使得高耐压、低损耗的MOSFET成为可能。其优秀的导热性能以及耐高温的特点更是锦上添花,目前宽禁带器件成本还比较贵,所以只在小规模内使用。但随着生产规模的增大,生产成本的降低,基于SiC、GaN的器件必然成为半导体材料新的主角。

参考文献

[1]. Baliga B J. Fundamentals of power semiconductor devices[M]. Springer Science & Business Media, 2010.

[2]. Comparison of SiC to other Semiconductors. Comparison of SiC to other Semiconductors


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