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大功率碳化硅二管的應(yīng)用
1. 碳化硅材料的特
長(zhǎng)期以來(lái)，在制造半導(dǎo)體器件的材料中，硅(Si)材料一直居于統(tǒng)治地位。隨著電子科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，半導(dǎo)體器件的能也需要不斷提，硅基器件的能開(kāi)始逐漸接近限。同時(shí)，電子器件越來(lái)越多的工作在如航天、、、溫、壓等場(chǎng)合，在這些應(yīng)用場(chǎng)合中器件需要忍受異常嚴(yán)酷的環(huán)境條件，這也使得硅基器件的表現(xiàn)越來(lái)越捉襟見(jiàn)肘，表1列出了這些領(lǐng)域中當(dāng)前和未來(lái)對(duì)半導(dǎo)體器件工作溫度的要求。這些都促使人們將目光轉(zhuǎn)向了能佳的禁帶半導(dǎo)體材料，碳化硅(SIC)就是人們較為熟悉的一種第三代半導(dǎo)體材料，碳化硅是間接帶隙半導(dǎo)體，具有的化學(xué)惰和堅(jiān)硬度，具有近兩百種不同的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，其中常見(jiàn)的有3C、4H、6H和15R型。
表1 當(dāng)前與未來(lái)導(dǎo)體器件工作溫度的比較
| 應(yīng)用領(lǐng)域 | 當(dāng)前工作溫度(℃) | 未來(lái)工作溫度(℃) | (小時(shí)) |
| 汽車電子 | 125~140 | 165~250 | 10,000 |
| 125 | 200 | 10,000 | |
| 航天 | 300 | 500 | 10,000-30,000 |
| 石油探井 | 175 | 175 | 10,000-30,000 |
| 地?zé)衢_(kāi)發(fā) | 200 | 250~260 | 10,000-30,000 |
| 功率電子 | 125 | 250~500 | 10,000-30,000 |
碳化硅(SIC)具有禁帶(Si的3倍)、熱導(dǎo)率(Si的3.3倍)、的臨界擊穿電場(chǎng)(Si的10倍)、飽和電子遷移率(Si的2.5倍)以及健合能等優(yōu)點(diǎn)，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(dǎo)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(yīng)用于速開(kāi)關(guān)器件；的臨界位移能使碳化硅器件的抗輻射能優(yōu)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?yàn)楸菊鬏d流子激發(fā)導(dǎo)致器件能失效。碳化硅材料在發(fā)生雪崩擊穿前所能夠忍受的限電場(chǎng)是硅材料和砷化鎵(GaAs)的5~20倍12。這一限電場(chǎng)可以用來(lái)制造壓、大功率器件。
2. 大功率碳化硅二管的應(yīng)用
大功率碳化硅PIN二管一直是功率器件研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。PIN二管是在P+區(qū)和n+區(qū)之間夾一層本征半導(dǎo)體(或低濃度雜質(zhì)的半導(dǎo)體)構(gòu)造而成的晶體二管。PIN中的i是“本征”意義的英文略語(yǔ)，因?yàn)椴豢赡艽嬖跊](méi)有雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)體，所以應(yīng)用中PIN二管的I層或多或少摻有少量的p型或n型雜質(zhì)。目前研究的碳化硅PIN二管主要采用臺(tái)面(Mesa)結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)，其剖面結(jié)構(gòu)分別如圖1所示：
圖1 平面結(jié)構(gòu)與臺(tái)面結(jié)構(gòu)SIC PIN二管剖面圖
當(dāng)PIN二管工作頻率過(guò)100MHz時(shí)，由于少數(shù)載流子的存貯效應(yīng)和I層中的渡越時(shí)間效應(yīng)，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(shí)，I區(qū)的阻抗很；在直流正向偏置時(shí)，由于載流子注入I區(qū)，而使I區(qū)呈現(xiàn)出低阻抗?fàn)顟B(tài)。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(lǐng)域，常常需要使用開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)信號(hào)的切換，特別是在一些頻信號(hào)中心，PIN二管具有的射頻信號(hào)能力，同時(shí)也被應(yīng)用于移相、調(diào)制、限幅等電路中。
大功率碳化硅二管由于其的耐壓特，被應(yīng)用在電力領(lǐng)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VB，源于中間的低摻雜i層承載了主要的電壓降。提I區(qū)的厚度，降低I區(qū)的摻雜濃度，能夠提PIN二管的反向擊穿電壓，但I(xiàn)區(qū)的存在會(huì)在程度上提整個(gè)器件的正向壓降VF以及器件的開(kāi)關(guān)時(shí)間，使用碳化硅材料制作的二管，則可以彌補(bǔ)這些不足。碳化硅10倍于硅的臨界擊穿電場(chǎng)，使得碳化硅二管的I區(qū)厚度可以減小到硅管的十分之一，同時(shí)能保持的擊穿電壓，再加上碳化硅材料良好的熱導(dǎo)率，不會(huì)出現(xiàn)明顯的散熱問(wèn)題，因此大功率碳化硅二管成為現(xiàn)代電力電子領(lǐng)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(cè)領(lǐng)域有著巨大的吸引力。小的漏電流可以減少探測(cè)器的暗電流，降低噪音；載流子遷移率可以提碳化硅PIN探測(cè)器的靈敏度；碳化硅二管的大功率特，使PIN探測(cè)器可以探測(cè)強(qiáng)的光源，應(yīng)用在太空領(lǐng)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(zhǎng)足的發(fā)展。
