何谓碳化硅

近年来，使用“功率元器件”或“功率半导体”等说法，以大功率低损耗为目的二极管和晶体管等分立(分立半导体)元器件备受瞩目。这是因为，为了应对全球共通的 “节能化”和“小型化”课题，需要高效率高性能的功率元器件。

然而，最近经常听到的“功率元器件”，具体来说是基于什么定义来分类的呢?恐怕是没有一个明确的分类的，但是，可按以高电压大功率的AC/DC转换和功率转换为目的的二极管和MOSFET，以及作为电源输出段的功率模块等来分类等等。

在这里，分以下二个方面进行阐述：一是以传统的硅半导体为基础的“硅(Si)功率元器件”，另一是与Si半导体相比，损耗更低，高温环境条件下工作特性优异，有望成为新一代低损耗元件的“碳化硅(SiC)功率元器件”。SiC半导体已经开始实际应用，并且还应用在对品质可靠性要求很严苛的车载设备上。提起SiC，可能在有些人的印象中是使用在大功率的特殊应用上的，但是实际上，它却是在我们身边的应用中对节能和小型化贡献巨大的功率元器件。碳化硅(SiC)是比较新的半导体材料。一开始，我们先来了解一下它的物理特性和特征。

SiC的物理特性和特征

SiC是由硅(Si)和碳(C)组成的化合物半导体材料。其结合力非常强，在热、化学、机械方面都非常稳定。SiC存在各种多型体(多晶型体)，它们的物理特性值各有不同。4H-SiC最适用于功率元器件。下表为Si和近几年经常听到的半导体材料的比较。表中黄色高亮部分是Si与SiC的比较。蓝色部分是用于功率元器件时的重要参数。如数值所示，SiC的这些参数颇具优势。另外，与其他新材料不同，它的一大特征是元器件制造所需的p型、n型控制范围很广，这点与Si相同。基于这些优势，SiC作为超越Si限制的功率元器件用材料备受期待。

· Si和C是1对1的比例结合的Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体

· 以Si和C的原子对为单元层的最密堆积构造

· 存在各种多型体，且4H-SiC最适用于功率元器件

· 结合力非常强　⇒　热、化学、机械方面稳定

o 热稳定性 ：常压状态下无液层，2000℃升华

o 机械稳定性：莫氏硬度(9.3)，可以媲美钻石(10)

o 化学稳定性 ：对大部分酸和碱具有惰性

SiC功率元器件的特征

SiC比Si的绝缘击穿场强高约10倍，可耐600V～数千V的高压。此时，与Si元器件相比,可提高杂质浓度，且可使膜厚的漂移层变薄。高耐压功率元器件的电阻成分大多是漂移层的电阻，阻值与漂移层的厚度成比例增加。因为SiC的漂移层可以变薄，所以可制作单位面积的导通电阻非常低的高耐压元器件。理论上,只要耐压相同，与Si相比,SiC的单位面积漂移层电阻可低至1/300。

Si 功率元器件为改善高耐压化产生的导通电阻増大问题，主要使用IGBT(绝缘栅极双极晶体管)等少数载流子元器件(双极元器件)。但因为开关损耗大而具有发热问题，实现高频驱动存在界限。由于SiC能使肖特基势垒二极管和MOSFET等高速多数载流子元器件的耐压更高，因此能够同时实现 “高耐压”、“低导通电阻”、“高速”。

此时，带隙是Si的约3倍，能够在更高温度下工作。现在，受封装耐热性的制约可保证150℃～175℃的工作温度，但随着封装技术的发展将能达到200℃以上。

以上简略介绍了一些要点,对于没有物理特性和工艺基础的人来说可能有些难，但请放心,即使不理解上述内容也能使用SiC功率元器件。