大功率碳化硅二管的應用

1. 碳化硅材料的特
  長期以來，在制造半導體器件的材料中，硅(Si)材料一直居于統治地位。隨著電子科技的不斷發展和進步，半導體器件的能也需要不斷提，硅基器件的能開始逐漸接近限。同時，電子器件越來越多的工作在如航天、、、溫、壓等場合，在這些應用場合中器件需要忍受異常嚴酷的環境條件，這也使得硅基器件的表現越來越捉襟見肘，表1列出了這些領域中當前和未來對半導體器件工作溫度的要求。這些都促使人們將目光轉向了能佳的禁帶半導體材料，碳化硅(SIC)就是人們較為熟悉的一種第三代半導體材料，碳化硅是間接帶隙半導體，具有的化學惰和堅硬度，具有近兩百種不同的結晶結構，其中常見的有3C、4H、6H和15R型。

表1 當前與未來導體器件工作溫度的比較

  碳化硅(SIC)具有禁帶(Si的3倍)、熱導率(Si的3.3倍)、的臨界擊穿電場(Si的10倍)、飽和電子遷移率(Si的2.5倍)以及健合能等優點，這就使得碳化硅材料可以很好地適用于(頻、溫、功率、抗輻射)電子器件。的熱導率有利于大功率器件的熱耗散和集成的載流子飽和遷移速率可以使之應用于速開關器件；的臨界位移能使碳化硅器件的抗輻射能優于Si器件。
  由于碳化硅材料的帶隙很(4H型碳化硅在室溫下約為3.26eV)，碳化硅器件能夠在很的溫度下工作而不至于因為本征載流子激發導致器件能失效。碳化硅材料在發生雪崩擊穿前所能夠忍受的限電場是硅材料和砷化鎵(GaAs)的5~20倍12。這一限電場可以用來制造壓、大功率器件。
 
  2. 大功率碳化硅二管的應用
  大功率碳化硅PIN二管一直是功率器件研究領域的熱點之一。PIN二管是在P⁺區和n⁺區之間夾一層本征半導體(或低濃度雜質的半導體)構造而成的晶體二管。PIN中的i是“本征”意義的英文略語，因為不可能存在沒有雜質的純凈半導體，所以應用中PIN二管的I層或多或少摻有少量的p型或n型雜質。目前研究的碳化硅PIN二管主要采用臺面(Mesa)結構和平面結構，其剖面結構分別如圖1所示：

圖1 平面結構與臺面結構SIC PIN二管剖面圖

  當PIN二管工作頻率過100MHz時，由于少數載流子的存貯效應和I層中的渡越時間效應，使二管失去整流作用而變成了阻抗元件，并且，其阻抗值隨偏置電壓而改變。在零偏置或直流反向偏置時，I區的阻抗很；在直流正向偏置時，由于載流子注入I區，而使I區呈現出低阻抗狀態。因此，可以把PIN二管作為可變阻抗元件使用，在微波和射頻領域，常常需要使用開關器件實現信號的切換，特別是在一些頻信號中心，PIN二管具有的射頻信號能力，同時也被應用于移相、調制、限幅等電路中。
  大功率碳化硅二管由于其的耐壓特，被應用在電力領域中，主要用作大功率整流管。PIN二管具有很的反向臨界擊穿電壓V_B，源于中間的低摻雜i層承載了主要的電壓降。提I區的厚度，降低I區的摻雜濃度，能夠提PIN二管的反向擊穿電壓，但I區的存在會在程度上提整個器件的正向壓降V_F以及器件的開關時間，使用碳化硅材料制作的二管，則可以彌補這些不足。碳化硅10倍于硅的臨界擊穿電場，使得碳化硅二管的I區厚度可以減小到硅管的十分之一，同時能保持的擊穿電壓，再加上碳化硅材料良好的熱導率，不會出現明顯的散熱問題，因此大功率碳化硅二管成為現代電力電子領域重要的整流器件。
  得益于其具有小的反向漏電流和載流子遷移率，碳化硅二管在光電探測領域有著巨大的吸引力。小的漏電流可以減少探測器的暗電流，降低噪音；載流子遷移率可以提碳化硅PIN探測器的靈敏度；碳化硅二管的大功率特，使PIN探測器可以探測強的光源，應用在太空領域中。大功率碳化硅二管因其的特，一直得到人們的重視，其研究也得到了長足的發展。