SiC概述與主要特點、電學優勢
碳化矽(SiliconCarbide),是一種由矽和碳組成的化合物半導體材料。作為一種固體材料,碳化矽具有化學性質非常穩定、導熱系數非常高、硬度僅次于金剛石等優點。而且它耐高溫的特性優異、重量輕而強度高,是一種全方位表現都很優異的新材料。因而近年來從航天到刹車盤甚至到打磨木材用的砂紙,碳化矽材料獲得了廣泛的發展與應用。
但當SiC作為半導體材料來考量時,它的絕緣擊穿電場(可以理解為耐壓)是矽材料的10倍,帶隙是矽的3倍,而且在制作時可以在較寬的範圍内控制必要的N型和P型。所以在對反向截止耐壓要求非常高(幾百至數千伏特),而正向導通能力又要特别好的電力電子應用中,SiC被認為是一種能夠超越Si極限的材料。
SiC的絕緣擊穿場強大約是Si的10倍,因此與Si器件相比,能夠以具有更高的雜質濃度和更薄厚度的漂移層制作出六百伏至上千伏的高耐壓功率器件。高耐壓功率器件的阻抗主要由該漂移層的阻抗組成,因此采用SiC可以得到單位面積的導通電阻非常低的高耐壓器件。簡單來說,就是漂移層具有電阻,漂移層越厚的話耐壓越高,同時電阻也越大。理論上,相同耐壓的器件,SiC單位面積的漂移層阻抗可以降低到Si的1/300。而在Si材料中,為了改善伴随高耐壓化而引起的導通電阻增大的問題,主要采用向摻雜層内注入少數空穴的方法,來增大半導體的導電效率,但是這個方法會拖慢半導體的運行速度。SiC材料卻能夠以高頻器件結構的多數載流子器件(肖特基勢壘二極管和MOSFET)去實現高耐壓,從而同時實現“高耐壓”、“低導通電阻”、“高頻”這三個特性。但是這幾個特性也限制了碳化矽半導體的用途:電壓較高的應用場合優勢明顯,而中低壓領域看來還需要長期的發展。
另外,SiC的帶隙較寬,是Si的3倍,因此SiC功率器件即使在高溫下也可以穩定工作而不會發生失控。目前受制于封裝SiC半導體的外殼材料,成品SiC器件隻能承受150℃~175℃。筆者曾有一次不慎“燒毀”過一枚SiCMOSFET,其外殼燒焦到冒煙、開裂,但從電路中拆下來後驚訝地發現其工作能力幾乎未受到影響。
圖1:SiC二極管
SiC在電源中的應用
在講解SiC在電源中的應用前,我們必須要簡單解釋一下半導體中“電子”與“空穴”的概念。“電子”,毫無疑問就是大家物理中學過的電子,帶單位負電荷、質量幾乎為零。而“空穴”,則是一種理解性的等效概念,帶單位正電荷、等效質量不可忽略,所以遠大于電子的質量。此二者運動起來就是半導體中的電流,半導體工作時它們通常同時存在,其數量比例由半導體制作時的材料、結構與工藝相關。電子因為輕巧,受到外部電場作用時運動速度快、慣性小;空穴則相反,運動速度更慢而且慣性大。
在上述原理的基礎上來解釋二極管的反向恢複就很好理解了,這個現象的主要成因就是:二極管正在正向導通時突然施加反向電壓,電子迅速被反向而來的電場制止了運動,而空穴則由于慣性較大刹不住車,還要繼續向前運動一段時間,以至于反向電場需要提供額外的能量(注入反方向的電流)來使這個運動趕緊停下來。由于這個慣性存在的時間和注入的反向電流都不可忽略,正向電流越大,空穴數量上也就越多,反向恢複效應越惡劣。在關斷動作完成前半導體不能當做完成了一次由通到斷的轉換動作,所以半導體器件就有了“速度”一說。而碳化矽二極管的空穴濃度遠小于矽二極管,所以它的反向恢複效應相應的就能小很多。
而對于工作于高開關頻率、高反向點壓、大正向電流的PFC二極管來說,反向恢複絕對是頭号大敵。它會降低PFC的效率,帶來非常大的開關EMI噪聲。而且該反向電流是在PFCMOS開通時,從母線電容反灌給二極管,流經PFCMOSFEET的,那順路就給PFCMOSFET造成遠超正常工作狀态的瞬态電流,極易造成PFCMOSFET損壞,形成可靠性隐患。(一個10A的正向電流可以造成高達20A的反向恢複電流,這個速度非常快、幅度非常大的電流脈沖是一個顯著的EMI源。而且當反向電壓是400V的母線電壓時,不難計算其瞬态功率達到了8000W)。所以,既然SiC是一種電子導電的高耐壓半導體,空穴濃度又遠遠低于矽半導體,毫無疑問其反向恢複效應可以小很多。PFC二極管就是頭号用武之地了。在對比圖中我們也可以看到,SiC的反向恢複效應比Si小得多而且更加溫和,和正向導通時的電流也沒有明顯關系。須知PFC二極管通常是每秒開關100千次的數量級,每次開關都有一次反向恢複過程,積累起來後SiC帶來的改善就非常顯著。
TIPGaAs與GaN
GaAs(砷化镓)與GaN(氮化镓)也都是優秀的新一代半導體材料。GaAs的電子遷移率超高,通常作為高頻、高速信号器件使用,比如射頻放大器。2.4G無線通信中有較多的應用,所以基本上每個帶有Wifi的設備中都有它。
GaN憑借高速、高耐壓、耐溫,也是下一代功率半導體的候選人。不過目前應用較多的卻是它的光電效應,GaN主要能發出藍光,是構成白光LED不可或缺的組成部分。同樣,由于GaN的耐溫和導熱性能皆優于GaAs,所以也對GaAs構成了非常大的挑戰。
圖2:在電源中,SiC碳化矽被廣泛應用。
圖3:PFC升壓電路原理圖
圖4:矽工藝碳化矽工藝的優勢範圍,少數載流子即“空穴”,多數載流子即“電子”。
圖5:矽半導體二極管與碳化矽二極管的反向恢複效應與正向電流相關性對比
圖6:矽半導體二極管與碳化矽二極管的反向恢複效應與溫度相關性注:對于部分物理概念與現象,為幫助讀者理解,其适用程度僅限于本文範圍。通常而言,在較大功率比如500W以上的電源中,僅僅把PFC二極管從矽更換成相同電流等級的碳化矽,就可以實現大約1%的效率提升。附加帶來的還有EMI改善、熱和可靠性的優化等等好處,所以降低了這方面的成本。由于碳化矽二極管具有綜合性的優勢,大約在2012年~2014年間,碳化矽二極管就已經在高端的通信電源、太陽能逆變器及其他工業電源領域獲得了使用并得到了推廣。到了2015年左右陸陸續續有PC電源開始采用。而到了2016年,碳化矽二極管幾乎在PC電源上獲得了大範圍鋪開,400元以上的電源中幾乎獲得了全面的使用。
其實在這個問題上,所有廠商、所有工程師都知道碳化矽好,但為什麼應用進展這麼慢,主要是三個原因:
第一就是貴。以最新的批量采購價格來看,同規格的碳化矽二極管價格是矽二極管的10倍左右。這一點對于本來成本壓力就已經非常巨大的電源來說,無疑是最大的障礙。
第二是風險控制。新東西出來,誰都不願意吃螃蟹。再者碳化矽供應方的工藝、品控都是需要驗證的。ROHM(羅姆半導體)當初就是一邊激進地推動,另一邊可靠性沒做到位,在應用中存在不可忽略的故障率。砸了自己的招牌還坑害了一衆用戶,現在被迫走上了低價路線。
第三是選擇面太窄。雖然近兩年推出SiC二極管的半導體制造商漸漸增多了,但是實際上經受住了應用考驗的還是隻有英飛淩和CREE兩家。事實上,在2016年8月份英飛淩把CREE的碳化矽部門收購掉以後,可以說隻剩一家了。這樣一旦漲價,電源制造商們就會非常尴尬和被動。而ROHM出于前述因素,大家又都不敢用,當然,2017年情況可能會有所改善也未可知。
SiC二極管的辨别
SiC二極管從外觀上與傳統的高壓二極管并無顯著的區别。但是也好在了目前成熟供應商并不多,所以識别起來也很容易。
英飛淩的SiC二極管其命名前綴是IDxxxxxxx(xxxxx表示型号和封裝參數,因不同設計采用的型号不一樣,所以會有差距。),而圖7中的IDH10G65C5則簡寫為D1065C5,表示10A、650V第五代碳化矽二極管,H是封裝編号。目前大家能見到的英飛淩的碳化矽二極管,基本上都是65C5為尾綴。
CREE的産品則更好鑒别,但凡二極管看到CREE四個字母,毫無懸念是來自CREE的碳化矽産品。因為CREE作為LED芯片和高性能射頻産品的領頭羊基本不生産傳統的矽半導體産品。當然其命名規則一般是CyDxxxx,y表示第幾代碳化矽技術,目前是3。值得額外提一點的是,不同家對“代”的定義并不一樣,更多像是個自己内部的概念,也就沒有英飛淩的第五代比CREE的第三代先進這麼一說。(如圖8,CREE的碳化矽二極管C3D02060,表示第三代二極管,2A、600V。)
ROHM的碳化矽二極管産品則是大大的ROHM标,型号為SCSxxxxx。(如圖9,ROHM的SCS212AG,12A、600V)
另外,由于SiC市場格局看來在兩年内不會有太大變化,所以此辨别方法将在很長一段時間内有效。
寫在最後
既然是如此好的高壓半導體材料,SiC的應用看來也不會止步于二極管。沒錯,SiC材料的功率MOSFET現在也已面世,技術參數上很明顯也是全面的超越了矽MOSFET。但是由于其過于昂貴的特點—最近一次詢價表明采購價格約70元一枚—暫時離PC電源大範圍使用還很遙遠。但是碳化矽MOSFET在充電樁、太陽能、風能發電方面,已經漸漸進入應用。
在電源技術行業有一句很有意思的話叫“技術十年,材料一年”,也就是說電路技術上埋頭苦幹優化十年獲得的進步,材料上的進步隻消一年就可以達到相當的目的。SiC功率半導體的出現再次印證了這個定律。
圖7:英飛淩SiC二極管
圖8:CREE的碳化矽二極管
圖9:ROHM碳化矽二極管