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碳化硅MOS管长啥样?看这篇图文详解

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发表于 2020-2-19 09:19:29 | 显示全部楼层 |阅读模式
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同样位于元素周期表第四栏的元素,硅(Si),锗(Ge)都是被最早用于半导体材料的元素,而碳元素(C)却不是。
碳元素在石墨结构下是导体,而在金刚石结构下,由于共价键跃迁能带比较大,是绝缘体。同样是金刚石结构的硅元素由于共价键比较弱,共用电子对定域性较差,在一定电压下电子就会解离,体现半导体性质。
如果将硅(Si碳(C)组成碳化硅(SiC)化合物,则形成宽禁带半导体(3V)。普通的硅(Si)半导体的禁带只有1.1V。
左边:碳化硅(SiC)晶体;右边:SiC晶体结构
由SiC制作的MOSFET耐压高,或者在同样的耐压要求下,MOSFET的尺寸就小,从而大大降低了MOS管的导通电阻和传热热阻。
使用SiC制作的MOSFET在近期在大功率、高电压、高频率应用越来越广泛。
恰好手边有如下功率MOS管,左边为碳化硅MOS管,型号为C2M0080120,它的耐压为1200V,导通电阻80m欧姆。
中间的是普通的N沟道MOS管,形式是IRF450。它的耐压为500V,额定工作电流为13A。
右边是IGBT,型号为50N6S2。耐压为600V,额定工作电流为75A。
左:SiC:C2M0080120;1200V,31.6A, 80mΩ
中:MOSFET:IRF450:500V,13A:
右:IGBT:50N6S2, 600V,75A
下面是对这三种MOS测量它们的漏极-源极之间的击穿电压。将控制栅极与源极之间短路。
下图为IGBT 50N6S2测试结果。当电压超过150V的时候,漏极电流就开始激增。这个数值远比其数据手册标称的600V小得多。
对于IRF450的击穿电压测试曲线,当电压超过600V的时候,漏极电流激增。这与该期间的数据手册上标称的耐压基本相当。
碳化硅MOS管C2M0080的漏极击穿电压曲线如下,当电压超过1000V之后,电流呈现激增。的确SiC管子的耐压不俗。
下面对照一下C2M0080与IRFP460导通电阻之间的差异。在栅极控制电压为24V时,通过3A左右的电流,通过测量漏极-源极之间的电压来计算导通电阻。
IRFP460的导通电阻大约为225毫欧姆(0.225Ω)。它比C2M0080导通电阻大了3倍左右。
出色的高耐压和低导通电阻使得碳化硅MOS管在大功率半导体电路中表现出色。特别对于高电压电路,在同样的功率密度下,碳化硅MOS自身损耗很小,有的场合甚至可以不使用散热片便可以获得同样功率输出。
虽然SiC功率器件有着很多优点,但它也有自身的一些缺点。比如它的栅极驱动电压要求高,自身寄生反向导通二极管的电压高,这对于一些需要依赖于MOS管自身反向导通二极管的电路来说,反向导通二极管导通电压会影响电路性能。
对比SiC和Si功率MOS管寄生反向二极管的导通电压
SiC管价格高到也影响到它的应用普及。

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