随着碳化硅（Silicon Carbide, SiC）、氮化镓（Gallium Nitride, GaN）等半导体新材料的出现，使以往以硅为主要材料的半导体芯片，出现不同的市场与应用变化。本文将为您介绍宽带隙（Wide Bandgap, WBG） SiC MOSFET的应用发展，与安森美半导体（ON Semiconductor）所推出的解决方案。
化合物半导体逐步取代硅的主导地位
这几十年来，硅一直统治着晶体管世界，但这个现象已经开始逐渐发生改变，一些采用两种或三种材料制成的化合物半导体已经被开发出来，它们具有独特的优势和优越的特性。例如，化合物半导体为我们提供了发光二极管（LED），其中一种类型便是由砷化镓（Gallium Arsenide, GaAs）和砷化镓与磷（Gallium Arsenide and Phosphorus, GaAsP）的混合物组成，其他一些则使用铟和磷。
化合物半导体的问题在于更难制造且更昂贵，但是，由于它们比硅具有明显的优势，因此在汽车电气系统和电动汽车（EV）等要求更高的新应用中，化合物半导体能更好地满足其严格的规格要求。
目前最热门的化合物半导体则是GaN和SiC功率晶体管，这些器件可与寿命长的硅功率LDMOS MOSFET和超级结MOSFET竞争。GaN和SiC器件的特性在某些方面相似，但也有显著差异。
WBG器件能承受更高的击穿电压
化合物半导体又被称为WBG器件，在不讨论晶格结构、能级和其他令人费解的半导体物理学的情况下，可以将WBG的定义为一个试图描述电流（电子）如何在化合物半导体中流动的模型。
WBG化合物半导体具有较高的电子迁移率和较高的带隙能量，可转化为优于硅的特性。由WBG化合物半导体制成的晶体管具有更高的击穿电压和更高的高温耐受性，这些器件在高电压和高功率应用中优于硅。
SiC和GaN具有更宽的带隙能量，意味着将电子从价带移动到导带大约需要3倍的能量，从而使材料的性能更像绝缘体，而不像导体，这使WBG半导体能够承受更高的击穿电压，其击穿电场是硅的10倍，对于给定的电压额定值，较高的击穿电场可使器件厚度减小，从而降低导通电阻和增强电流能力。
WBG器件适合严苛的汽车应用
WBG晶体管的开关速度也更快，并且可用比硅更高的频率工作。较低的“导通”电阻意味着它们消耗的功率更少，从而提高了效率。这种独特的特性组合使这些器件对汽车应用中（尤其是混合动力和电动汽车）最苛刻的某些电路极具吸引力。
GaN和SiC晶体管变得越来越容易解决汽车电气设备的挑战，GaN和SiC器件具有650、900和1200 V的高压功能，具有更快的开关速度，以及更高的工作温度，并具有较低的传导电阻、最小的功耗和更高的效率。
SiC和GaN的迁移率参数与硅的数量级相同，这两种材料都非常适合高频开关应用。但是，SiC最为不同的参数是其热导率是硅和GaN的3倍以上，对于给定的功耗，较高的导热率可降低温度的上升速度。
市售SiC MOSFET的保证最高工作温度为150℃ < TJ < 200℃。相比之下，SiC结温可以达到600℃，但主要仍受到粘结和封装技术的限制。这使得SiC成为用于高电压、高速、高电流、高温开关电源应用的优秀WBG半导体材料。
SiC MOSFET满足高压开关电源应用要求
SiC是用于制造分立功率半导体的WBG系列半导体材料其中一种。对于高压开关电源应用，与传统的硅MOSFET和IGBT相比，SiC MOSFET具有明显的优势，可切换超过1,000 V的高电压电源轨，并以不平凡的数百kHz频率运行，这是最好的超结硅MOSFET所不能提供的。IGBT也通常被使用在这个领域，但是由于它们的“拖尾电流”和缓慢的关断而被限制在较低的工作频率。如此一来，对于较低电压、高频操作，首选硅MOSFET，而对于较高电压、高电流、低频应用，IGBT更合适，而SiC MOSFET则提供了高电压、高频、开关性能优势的最佳组合。它们是电压控制的场效应器件，能够以与IGBT相同的高电压进行开关，或比更低电压的硅MOSFET具有更高的开关频率。
SiC MOSFET与硅相比，它提供了卓越的开关性能和更高的可靠性。此外，低导通电阻和紧凑的芯片尺寸确保了低电容和栅极电荷。因此，系统的好处包括最高的效率、更快的工作频率，增加的功率密度和减小的系统尺寸。
SiC MOSFET通常在650 V < BVDSS < 1.7 kV的范围内可用，主要关注点为1.2 kV及以上。在较低的650 V范围内，传统的硅MOSFET和GaN则优于SiC。但是，考虑使用低电压SiC MOSFET的原因之一可能是利用其优越的热特性。尽管SiC MOSFET的动态开关行为与标准硅MOSFET十分相似，但仍需考虑其器件特性所决定的独特的栅极驱动要求。
多样化的产品规格满足不同的应用要求
安森美半导体的SiC MOSFET产品组合，旨在实现快速而坚固的设计。SiC MOSFET的介电击穿场强高10倍，电子饱和速度高2倍，能带隙高3倍，热导率高3倍。安森美半导体所有的SiC MOSFET均包括经过AEC-Q101认证和PPAP认证的选件，这些选件专门针对汽车和工业应用而设计和认证。这些SiC MOSFET的系统优势包括可通过降低功率损耗，提高功率密度，提高工作频率，提高温度工作效率，以及最重要的是可减小系统尺寸和成本来提高效率。
安森美半导体的SiC MOSFET产品线主要分为支持900 V与1200 V。在900 V产品系列中，提供RDS(ON)支持20 mΩ与60 mΩ的器件，以及TO247-3L、D2PAK-7L的封装组合。在1200 V产品系列中，则提供RDS(ON)支持20 mΩ、40 mΩ、80 mΩ与160 mΩ的器件，以及TO247-3L、TO247-4L、D2PAK-7L与裸片（Bare Die）的封装组合，产品规格相当多样，可以满足客户的不同需求。
结语
WBG SiC MOSFET在高电压、高频、开关性能上有优异的表现，是汽车与工业应用的理想选择，随着技术的成熟，产品价格也比以往更具竞争力。安森美半导体推出的900 V与1200 V SiC MOSFET拥有多样化的规格选择，可以满足客户的各种需求，并具备优异的性能与稳定的质量，可满足严苛的应用规格要求。