功率半导体器件性能天花板如何突破

大家好，小科来为大家解答以上问题。功率半导体器件性能天花板如何突破这个很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

1、功率半导体器件又称电力电子器件，是用于电力设备的功率转换和控制电路的大功率电子器件。由于它们的性能与能耗量直接相关，在节能减排的大趋势下备受关注，成为电子圈关注的焦点。

2、既然成为焦点，人们对它的要求也会越来越高。

3、如果要画一幅“你理想中的功率半导体器件”的图，相信很多人会做出如下描述：

4、1.高耐压：因为是处理大功率，耐压能力会是一个硬性指标。为此，不同于一般逻辑器件的半导体技术经常被用于功率器件的制造。

5、2高频：更高的开关频率不仅可以提高功率器件本身的性能，还带来了一个明显的优势，即允许使用更小的外围器件，从而减小系统的整体尺寸。

6、3.高可靠性：由于搭载了更高的功率密度，功率器件需要耐高温，具有更高的热稳定性，能够抵抗过流、过压等瞬态。

7、低功耗：影响功率器件功耗的因素很多。以一个功率二极管为例，其功耗主要包括与反向恢复过程相关的开关损耗、与正向压降VF相关的正向导通损耗、反向漏电流引起的反向损耗。

8、现实中，功率器件的开发者按照“三高一低”的理想外观来打造产品。

9、然而，麻烦的是，在我们熟知的基于硅(Si)材料的器件中，这些优势很难在一个器件上实现，而且它们之间往往相互矛盾，因此人们不得不在鱼和熊掌之间做出选择。

10、硅功率器件的瓶颈

11、对于电力设备用户来说，也很难找到一个“完美”的设备，能够满足他们对电力设备的所有期望，所以他们经常纠结于材料的选择。

12、还是以二极管为例。如果要选择更快的器件——，也就是支持更高开关频率3354的器件，首先会想到肖特基势垒二极管(SBD)，因为SBD不是用PN结原理制作的，而是用金属-半导体接触形成的金属-半导体结原理制作的热载流子二极管。因此，在反向恢复中不存在像PN结二极管那样的电荷存储效应，需要反向恢复时间trr来消除这些电荷。

13、但SBD有一个缺点，就是反向耐压不高，工艺改进后只能达到200V左右，可以说是功率半导体应用中的“硬伤”。

14、为了提高反向耐压，需要使用PN结结构的功率二极管，但由于反向恢复时的电荷存储效应，速度不快。

15、为了解决这个问题，人们通过在二极管中掺杂贵金属，开发了快恢复和超快恢复二极管(FRD)。顾名思义，这类器件就是要在高频和高耐压之间找到最佳平衡，在保证足够的反向耐压特性(通常在1000V以上)的同时，要尽可能缩短反向恢复时间trr(可达几十纳秒)，导致高导通压降，这是得不偿失的。

16、但是，只要是PN结Si器件，就会在功耗上面临以下挑战：

17、当正向切换到反向时，漂移层中积累的少数载流子会在“消光”过程中产生较大的瞬态反向恢复电流，从而导致较大的开关损耗。

18、正向电流越大或温度越高，恢复时间越长，恢复电流越大，损耗越大。

19、作为SBD，为了降低正向导通电压和正向导通损耗，需要降低肖特基势垒，但肖特基势垒的降低会导致反向偏置时漏电流的增加，这是一个两难的选择。

20、因此，从以上分析可以看出，无论选择哪种功率二极管，都不是“一机多用”的解决方案。

21、原因是用于制造传统功率器件的Si材料已经达到了物理极限，即使是一小步的性能提升都非常困难，有时还会对其他性能产生负面影响。

22、所以，想要打破功率器件性能提升的“天花板”，光是绕着原有的半导体材料走是不够的，必须从新材料中找到突破口。

23、SiC材料带来的机遇

24、因此，第三代宽带隙半导体材料进入了人们的视野。

25、其实对这些材料的研究历史并不短，但是近年来市场和用户对突破功率器件性能瓶颈的渴望，促使相关材料的研发和商用在加速，其中碳化硅（SiC）就是一个重要的发力点。

SiC 除了具备优异的性能之外，还具有出色的热稳定性、机械稳定性和化学稳定性，这就为打造新一代的功率器件提供了一块坚固的基石。

如今，利用 SiC 优异的特质开发创新功率器件的竞逐已经开始，在这方面，Vishay 凭借在功率半导体领域深厚的技术积淀，以及对 SiC 材料的深入理解，开发出了全新的碳化硅肖特基二极管（SiC-SBD）产品，这些功率二极管击穿电压可达 650V，包括 4A~20A 单管器件和 16A~40A 的共阴极双管器件，可在 +175˚C 高温下工作，且具有高浪涌保护能力，在低功耗表现方面与传统的 Si 功率二极管相比，更是一骑绝尘。

看过 Vishay SiC-SBD 的性能参数，你一定会得出结论——这就是那颗满足“三高一低”标准的功率器件。

Vishay SiC-SBD是如何炼成的？

这样优异的性能是如何炼成的，下面我们就来细细品读。

首先，由于 SiC 具有10倍于 Si 材料的绝缘击穿电场，这意味着即使采用 SBD 的结构，而不是更耐压的PN结，SiC-SBD 的反向耐压也可以做到 600V 以上，甚至可以做到数千伏。

32、Vishay 的 SiC-SBD 额定反向耐压就达到了 650V。

其次，SiC- SBD 同样继承了肖特基二极管高频高速的特性，原理上不会在电压正反转换时发生少数载流子存储积聚的现象，应用于高频场合不会有压力。

再有，就是 SiC 器件最为人称道的功耗上的优势。

第一，由于 SiC-SBD 在反向恢复时没有PN结的电荷存储效应，只产生使结电容放电程度的小电流，所以与 FRD 相比，开关损耗大幅减少。

第二，一般高耐压功率器件的阻抗，主要取决于形成高绝缘击穿场强的漂移层的阻抗，与Si器件相比，SiC 能够以更高的杂质浓度和厚度更薄的漂移层实现足够的耐压特性，因此单位面积导通电阻非常低，带来更低的正向导通损耗。

第三，在反向漏电流方面，Vishay 的 SiC-SBD 也做得不错，可以有效控制反向损耗的大小。

此外，Vishay的SiC-SBD还有一个特别值得一提的特性，就是其通过采用独特的MPS（Merged PN Schottky）结构，为器件带来了更高的浪涌保护能力。

39、简单地说，MPS 结构就是在 SBD 的正极增加一个 PN 结，当器件通过高电流时，这个 PN 结通过注入少数载流子增加漂移区的导通性，进而将正向电压 VF 控制在低水平。

40、这样做的效果显而易见，从图3中可以看到，一个“纯” SBD 随着正向电流 IF 的增加，正向电压 VF 会呈指数级增长；而采用 MPS 架构的 SBD 则无论 IF 的高低，VF 都会保持在一个稳定的水平，显现出了极佳的浪涌保护能力。

面对多样化的需求

通过上文，想必大家都已经对 SiC-SBD 在性能上的优势印象深刻，但是当开发者进行现实的技术决策时，SiC 器件的一个“不足”还是可能会让人犹豫，那就是——其成本相对较高。

毕竟，SiC 还是一个比较新的领域，今天其技术和配套产业链的成熟度还无法与 Si 器件相比。

44、这也就使得 SiC 器件在短期内还难于覆盖更全面的电力电子应用的要求，特别是那些效益成本比要求更高的应用。

也正是由于这个原因，尽管硅基功率器件已经越发接近其理论上的性能“天花板”，但是对其性能潜力深度挖掘的努力仍然没有停止，而且这同样也十分考验厂商实力。

46、因此，Vishay 在加快其 SiC 功率器件创新步伐的同时，也在不断巩固自身在硅基功率器件方面的优势，第5代 FRED Pt 超快恢复二极管就是其中的一个代表作。

比如 Vishay 推出的 600V第5代 FRED Pt 超快恢复二极管，支持 15A 至 75A 的电流，在一些特性上，具备了能够和 SiC-SBD 比肩的实力。

1开关频率：该系列产品与同类产品相比，表现十分抢眼，比如 15A 的 VS-E5TX1506-M3 的反向恢复电荷仅为 578nC，反向恢复时间只需要 19nS。

2功耗表现：第5代 FRED Pt在开关损耗、正向损耗和反向损耗特性方面进行了系统性的改进，因此在 50kHz 频率应用范围内，除了SiC器件，可以多一个高性价比的选择。

3工作温度：这个系列的产品，可以支持与 SiC-SBD 相同的 175℃ 最高工作温度。

4产品组合：600V 第5代 FRED Pt系列产品中包括侧重更低的 Qrr和更短的 trr的 X 型器件，以及在正向导通压降上表现更好的 H 型器件，开发者可以根据目标应用的要求进行灵活选择。

52、而且，目前该系列还可以提供符合 AEC-Q101 标准的车规级产品，这对汽车电子开发者更是一个好消息。

通过在硅基 FRD 和 SiC-SBD 两个技术路线上的齐头并进，Vishay 可以针对多样化的需求，为开发者提供更多的选择，不论是追求更高的性能，还是要求优异的成本效益，Vishay 都可以根据客户实际的要求，提供出色的一站式的解决方案。

本文到此结束，希望对大家有所帮助。