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一文读懂SiC功率半导体器件

泉源:武汉j9九游电子有限公司    编辑:佚名    >###nbsp;  点击数:

  比年来,SiC功率器件布局设计和制造工艺日趋美满,曾经靠近其质料特征决议的实际极限,依托Si器件持续美满来进步安装与体系功能的潜力非常有限。本文起首介绍了SiC功率半导体器件技能开展近况及市场远景,其次论述了SiC功率器件开展中存在的题目,最初介绍了SiC功率半导体器件的打破。

  SiC功率半导体器件技能开展近况

  1、碳化硅功率二极管

  碳化硅功率二极管有三品种型:肖特基二极管(SBD)、PiN二极管和结势垒控制肖特基二极管(JBS)。由于存在肖特基势垒,SBD具有较低的结势垒高度。因而,SBD具有低正向电压的上风。SiC SBD的呈现将SBD的使用范畴从250 V进步到了1200 V。同时,其低温特征好,从室温到由管壳有限的175℃,反向泄电流简直没有增长。在3 kV以上的整流器使用范畴,SiC PiN和SiC JBS二极管由于比Si整流用具有更高的击穿电压、更快的开关速率以及更小的体积和更轻的分量而备受存眷。

  2、单极型功率晶体管,碳化硅功率mosFET器件

  硅功率MOSFET器件具有抱负的栅极电阻、高速的开关功能、低导通电阻和高波动性。在300V以下的功率器件范畴,是首选的器件。有文献报道已乐成研制出阻断电压10 kV的SiC MOSFET。研讨职员以为,碳化硅MOSFET器件在3kV~5 kV范畴将占有上风位置。只管遇到了不少难,具有较大的电压电流才能的碳化硅MOSFET器件的研发回是获得了明显停顿。

  别的,有报道介绍,碳化硅MOSFET栅氧层的牢靠性已失掉分明进步。在350℃条件下有精良的牢靠性。这些研讨后果标明栅氧层将有盼望不再是碳化硅MOSFET的一个明显的题目。

  3、碳化硅绝缘栅双极晶体管(SiC BJT、SiC IGBT)和碳化硅晶闸管(SiC Thyristor)

  近来报道了阻断电压12kV的碳化硅P型IGBT器件,并具有精良的正向电流才能。碳化硅IGBT器件的导通电阻可以与单极的碳化硅功率器件相比。与Si双极型晶体管相比,SiC双极型晶体管具有低20~50倍的开关消耗以及更低的导通压降。SiC BJT次要分为内涵发射极和离子注入发射极BJT,典范的电流增益在10-50之间。

  关于碳化硅晶闸管,有报道介绍了1平方厘米的晶闸管芯片,阻断电压5kV,在室温下电流100A(电压4.1V),开启和关断工夫在几十到几百纳秒。

  

 

  SiC功率器件市场远景宽广

  2014 年环球 Si 功率器件市场范围约 150 亿美元, 此中 SiC 功率器件为 1.2 亿美元,不到 Si 功率器件的 1%。 SiC 器件 2014 年总市场范围约为 1.33 亿美元,至 2020 年市场范围可达 4.36 亿美元,年复合增加率为 22%。

  展望,至 2025 年:碳化硅 MOSFET 市场范围将会逾越 3 亿美元,成为仅次于碳化硅肖特基二极体的第二大碳化硅分离功率元件;SiC FETs 与 BJTs 产品取得市场信任,但多使用于专业或小众产品,范围远低于 SiC MOSFET 市场;联合 SiC 二极管与 Si IGBT 所构成的混淆式 SiC 功率模组, 2015年该产品市场贩卖额约为 3,800 万美元,估计 2025 年贩卖额将会打破 10 亿美元。

  

 

  SiC功率器件开展中存在的题目

  1、在贸易化市场方面:

  (1)昂贵的SiC单晶质料。由于Cree公司技能性把持,一片高质量的4英寸SiC单晶片的售价约5000美元,但是响应的4英寸Si片售价仅为7美元。云云昂贵的SiC单晶片曾经严峻拦阻了SiC器件的开展。

  (2)Cree公司的技能把持。由于Cree公司活着界列国请求了很多专利,严峻制约了其他公司在SiC范畴的开展。

  2、在技能方面:

  (1)SiC单晶质料固然在招致SiC功率半导体功能和牢靠性降落的致命缺陷微管密度低落和消弭方面比年来获得很猛进展,但位错缺陷等其他缺陷对元件特征形成的影响仍未办理。

  (2)SiC器件牢靠性题目。SiC MOSFET器件现在存在两个次要技能难点没有完全打破:低反型层沟道迁徙率和低温、高电场下栅氧牢靠性。与Si MOSFET相比,表现不出SiC MOSFET的上风。

  (3)低温大功率SiC器件封装题目。

  

 

  功率半导体的SiC之路等待打破

  电力电子器件的开展汗青大抵可以分为三个大阶段:硅晶闸管(可控硅)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)和刚崭露锋芒[zhǎn lù fēng máng]的碳化硅(SiC)系列大功率半导体器件。晶闸管开展已有近六十年汗青,技能成熟也失掉普遍使用,可以自创它的汗青来展望碳化硅功率器件。想现在IGBT衰亡时,与晶闸管参数目标相差极大,晶闸管已能做到2-3KV、2-3KA时,IGBT仅仅是电流过百、电压过千。在短短的二十几年间,IGBT从第一代敏捷开展到第六代,电压和电流已与晶闸管不相上下[bú xiàng shàng xià],表现出IGBT良好功能。

  晶闸管无能的IGBT万能干、IGBT无能的晶闸管干不了,在相称大的一片使用范畴里IGBT因其不行替换的良好功能独居鳌头。但晶闸管仍以其比力高的性价比守住了本人的大片阵地。碳化硅质料技能的停顿已使局部碳化硅功率器件用于实践成为大概。但另有很多要害的技能题目必要办理。晶闸管电流从小到大、电压从低到高履历了数十年的风风雨雨,IGBT也有如许的一个非凡的历程。可见SiC功率器件的开展也会有一个漫长的历程。

 

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