【導(dǎo)讀】由SiC制作的MOSFET耐壓高,或者在同樣的耐壓要求下,MOSFET的尺寸就小,從而大大降低了MOS管的導(dǎo)通電阻和傳熱熱阻。使用SiC制作的MOSFET在近期在大功率、高電壓、高頻率應(yīng)用越來越廣泛。以下給大家以圖文的形式講解碳化硅MOS管長啥樣的?
同樣位于元素周期表第四欄的元素,硅(Si),鍺(Ge)都是被最早用于半導(dǎo)體材料的元素,而碳元素(C)卻不是。
碳元素在石墨結(jié)構(gòu)下是導(dǎo)體,而在金剛石結(jié)構(gòu)下,由于共價(jià)鍵躍遷能帶比較大,是絕緣體。同樣是金剛石結(jié)構(gòu)的硅元素由于共價(jià)鍵比較弱,共用電子對定域性較差,在一定電壓下電子就會解離,體現(xiàn)半導(dǎo)體性質(zhì)。
如果將硅(Si碳(C)組成碳化硅(SiC)化合物,則形成寬禁帶半導(dǎo)體(3V)。普通的硅(Si)半導(dǎo)體的禁帶只有1.1V。
左邊:碳化硅(SiC)晶體;右邊:SiC晶體結(jié)構(gòu)
由SiC制作的MOSFET耐壓高,或者在同樣的耐壓要求下,MOSFET的尺寸就小,從而大大降低了MOS管的導(dǎo)通電阻和傳熱熱阻。
使用SiC制作的MOSFET在近期在大功率、高電壓、高頻率應(yīng)用越來越廣泛。
恰好手邊有如下功率MOS管,左邊為碳化硅MOS管,型號為C2M0080120,它的耐壓為1200V,導(dǎo)通電阻80m歐姆。
中間的是普通的N溝道MOS管,形式是IRF450。它的耐壓為500V,額定工作電流為13A。
右邊是IGBT,型號為50N6S2。耐壓為600V,額定工作電流為75A。
左:SiC:C2M0080120;1200V,31.6A, 80mΩ
中:MOSFET:IRF450:500V,13A:
右:IGBT:50N6S2, 600V,75A
下面是對這三種MOS測量它們的漏極-源極之間的擊穿電壓。將控制柵極與源極之間短路。
下圖為IGBT 50N6S2測試結(jié)果。當(dāng)電壓超過150V的時(shí)候,漏極電流就開始激增。這個(gè)數(shù)值遠(yuǎn)比其數(shù)據(jù)手冊標(biāo)稱的600V小得多。
對于IRF450的擊穿電壓測試曲線,當(dāng)電壓超過600V的時(shí)候,漏極電流激增。這與該期間的數(shù)據(jù)手冊上標(biāo)稱的耐壓基本相當(dāng)。
碳化硅MOS管C2M0080的漏極擊穿電壓曲線如下,當(dāng)電壓超過1000V之后,電流呈現(xiàn)激增。的確SiC管子的耐壓不俗。
下面對照一下C2M0080與IRFP460導(dǎo)通電阻之間的差異。在柵極控制電壓為24V時(shí),通過3A左右的電流,通過測量漏極-源極之間的電壓來計(jì)算導(dǎo)通電阻。
C2M00801021的導(dǎo)通電阻大約為70毫歐姆(0.07Ω)。
IRFP460的導(dǎo)通電阻大約為225毫歐姆(0.225Ω)。它比C2M0080導(dǎo)通電阻大了3倍左右。
出色的高耐壓和低導(dǎo)通電阻使得碳化硅MOS管在大功率半導(dǎo)體電路中表現(xiàn)出色。特別對于高電壓電路,在同樣的功率密度下,碳化硅MOS自身損耗很小,有的場合甚至可以不使用散熱片便可以獲得同樣功率輸出。
雖然SiC功率器件有著很多優(yōu)點(diǎn),但它也有自身的一些缺點(diǎn)。比如它的柵極驅(qū)動電壓要求高,自身寄生反向?qū)ǘO管的電壓高,這對于一些需要依賴于MOS管自身反向?qū)ǘO管的電路來說,反向?qū)ǘO管導(dǎo)通電壓會影響電路性能。
對比SiC和Si功率MOS管寄生反向二極管的導(dǎo)通電壓
SiC管價(jià)格高到也影響到它的應(yīng)用普及。
作者:卓晴
來源:TsinghuaJoking