1980年前后,巴利加发明了绝缘栅双极型晶体管IGBT,前面我们也是很多篇幅都是在聊IGBT,其结合了BJT和MOSFET的优势,从而带来了逆变电路的革新。而在1980年的时候,SiC晶体生长的突破也使得其器件的研发,并且1991年的时候发布了第一批商用SiC晶片。
1994年,经过结构和工艺的优化后,电阻率得到了改善,并于2001年发布了第一款SiC SBD。其典型应用之一是用在电源中的快速二极管,由于其反向恢复快到可以忽略,所以能够显著地降低开关损耗和提高开关频率,从而减小无源器件的尺寸。所以,SiC SBD被迅速用于各种电源系统,如电源、光伏系统、空调等,并且SiC二极管的最大阻断电压已经能够超过25kV。
随着SiC SBD的发展,基于SiC的MOSFET也在不断地发展和进化。随着MOSFET沟道迁移率和氧化物可靠性不断提升,2010年开始,SiC功率MOS开始商业化,市场不断扩大。根据系统中采用SiC器件比例的大小,电源或者逆变器的体积和重量能够减少2-10倍,功率密度大幅提升;同时功耗也是显著降低,带来的是转换系统效率越来越高。
下面我们就来聊聊SiC MOSFET的一些事儿~
首先,我们来聊聊导通电阻Ron,下面是一张SiC MOSFET导通电阻主要组成的示意图:
功率MOS的导通电阻主要包括多个电阻的串联,对于SiC MOSFET来说,其漂移层电阻相比于具有相同阻断电压的Si功率MOS来说低了100倍以上。而沟道电阻和JFET电阻(两个相邻p阱之间的电阻)是阻断电压高达2-3kV SiC MOS的主要因素;高于3-5kV的时候,其导通电阻主要由漂移层电阻决定,类似于600V-1200V硅MOS的情况。
上面的示意图是平面双注入的DIMMOSFET的,为了改善沟道迁移率对SiC MOS沟道电阻的限制,我们可以采用下面的方法:
★增强沟道流动性
★减小沟道长度
★减小单元间距
减小沟道长度有利于降低导通电阻,但是需要注意沟道效应的影响,否则阈值电压会降低,漏电流会增大;而减小单元间距,可以有效地增加单元密度,但是p阱地间距变短时,JFET电阻相应地会大大增大,这些都需要权衡,沟槽式的MOS理论上没有JFET电阻,所以可以进行大规模地缩短单元间距,这也是为什么沟槽MOS导通电阻非常小的原因之一。
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