SiC电力电子器件简介.ppt
SiC材料及器件
§6 SiC材料及器件§6.1 SiC材料简介无论是半导体分立元器件还是集成电路，第一代元素半导体材料Si都是当今微电子器件的主要基底材料，Si器件占据着当今微电子器件领域的绝大部分市场份额。
除Si外，以GaAs、为代表的第二代化合物半导体也有着广泛的应用。
然而，Si器件也有着它应用的局限性。
硅材料是间接带隙，带隙宽度较小，只有1.1 eV。
这样的带隙宽度决定了当温度较高时，由热激发的本征载流子浓度超过由掺杂引起的杂质载流子浓度，使得Si成为本征半导体，掺杂特性消失，从而器件不能正常工作。
Si的热导率也较低(1.5 W/cm.K)，Si器件散热慢，限制了其在功率器件中的应用。
此外，Si的化学稳定性也一般。
Si材料的这些局限性使得它难以在高于250 o C的环境下正常工作，尤其在高频、大功率以及强辐射等极端条件下，硅器件就更难以胜任。
GaAs的禁带比Si稍宽，有利于制作需要在较高温度下工作的器件，但其热导率较低，不适合制作电力电子器件，难以在大功率和强辐射等极端条件下工作。
近年来，随着半导体器件应用领域的不断扩大，特别是有些特殊场合要求半导体适应在高温、强辐射和大功率等环境下工作，传统的一和二代半导体无能为力。
于是人们将目光投向一些被称为第三代宽带隙半导体材料的研究，如金刚石、SiC、GaN和AlN 等。
这些材料的禁带宽度在2 eV以上，拥有一系列优异的物理和化学性能。
在第三代半导体材料中，SiC和GaN已经从材料研究阶段逐步进入器件研究阶段，基于这两种材料的部分器件(如LED)已经实现商品化。
相对于GaN，SiC的导热系数明显提高，而且SiC单晶材料更容易获得，价格也相对较低，因此在高温和大功率领域SiC更有优势。
SiC 具有大禁带宽度、高临界场强、高热导率和高载流子饱和速率等特性，其品质因数远远超过了Si和GaAs(如表6所示)，因而成为制造高功率器件、高频器件、高温器件和抗辐照器件最重要的半导体材料。
《SiC碳化硅》课件
废弃物资源化利用
对生产过程中的废弃物进行资源 化利用，降低对环境的影响。
THANKS
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光学性质
总结词
碳化硅具有优异的光学性能，可用于制造光学器件和激光器等。
详细描述
碳化硅是一种宽带隙半导体材料，具有优异的光学性能，能够吸收紫外线和蓝光等短波长光，并可在 高温下保持稳定的光学性能。因此，碳化硅在光学器件、激光器和LED等领域有广泛应用。
03
Sic碳化硅的应用
磨料和磨具
碳化硅作为磨料和磨具有着广泛的应 用，由于其硬度高、耐磨性好，常用 于磨削、研磨和抛光各种硬质材料。
详细描述
碳化硅具有很高的熔点和化学稳定性，能够在高达2800°C的高温下保持稳定， 同时对酸、碱和盐等化学物质具有很好的抗腐蚀性。
电绝缘性
总结词
碳化硅是一种优秀的电绝缘材料 ，适用于电子和电力行业。
详细描述
碳化硅在常温下的电绝缘性能非 常好，其电阻率极高，因此被广 泛应用于电子和电力行业的绝缘 材料。
切削性能。
在切割工具领域，碳化硅可以用 于制造锯条、切割片、切割刀等 ，用于切割各种硬质材料，如石
材、玻璃、陶瓷等。
在刀具领域，碳化硅可以用于制 造铣刀、钻头、车刀等，用于切 削金属材料，提高加工效率和刀
具寿命。
耐火材料和坩埚
碳化硅具有优良的高温性能，可以作为耐火材料和坩埚材料用于高温炉和熔炼设备 中。
详细描述
Sic碳化硅是由碳元素和硅元素组成的化合物，其晶体结构中，每个碳原子与四个硅原子形成共价键，形成了一种 坚固的、类似于金刚石的晶体结构。由于其独特的晶体结构和化学键合状态，Sic碳化硅展现出许多优异的物理和 化学性质。
发现与历史
总结词
《SiC碳化硅》课件
市场认知度提升
2
产成本相对较高。
需要加强行业宣传和市场教育，提高
碳化硅的知名度和应用广度。
3
技术创新和升级
持续研发新的制备方法和材料改性技 术，提高碳化硅材料的性能。
结论和总结
SiC碳化硅作为一种重要的新兴材料，具有广泛的应用前景。在克服挑战和持续发展的同时，碳化硅将 在多个领域发挥重要作用。
通过烧结、热压或立体堆积工艺将碳化硅粉末制备成材料。
SiC碳化硅的市场前景
能源领域
应用于新能源设备和高效电力转化系统，具有广阔的市场前景。
汽车领域
随着电动汽车市场的发展，对碳化硅的需求将显著增加。
工业应用
在高温、高频、高功率领域应用广泛，市场潜力巨大。
SiC碳化硅的挑战与发展趋势
1
材料制备难度
碳化硅的制备技术和设备要求高，生
汽车工业
用于制造电动车辆的电池管 理系统和充电设备，提高动 力电加热元 件等，提高加热效果和工作 寿命。
SiC碳化硅的制备方法
1
碳化硅晶体生长
通过物理气相沉积或溶液溶胶法实现碳化硅晶体的制备。
2
碳化硅粉末制备
通过高温反应或石墨化学气相沉积法制备碳化硅粉末。
3
碳化硅材料成型
《SiC碳化硅》PPT课件
这份《SiC碳化硅》PPT课件演示文稿将详细介绍碳化硅的特性、应用、制备 方法以及市场前景等方面的知识，帮助您更好地了解这一领域的发展。
简介
碳化硅是一种新型功能性材料，具有优异的热传导性、高温稳定性以及良好 的耐腐蚀性，被广泛应用于高温工况和特殊环境中。
SiC碳化硅的特性
1 高温稳定性
2 高硬度
具备出色的耐高温性能，适用于高温工况 下的应用。
一种典型半导体材料SiC2PPT课件
2.SiC衬底的制备
SiC单晶的加工：
要求：表面超光滑、无缺陷、无损伤。 重要性：直接影响器件的性能。 难度：SiC的莫氏硬度为9.2，难度相当大。
工艺流程： 切割：用金刚线锯。 粗、精研磨：使用不同粗细的碳化硼和金刚石颗粒加 粗磨和精磨。 粗抛光：机械抛光，用微小的金刚石粉粒进行粗抛。 精抛光：化学机械抛光。
国内在SiC生长起步较晚，目前主要是山东大学、中科院上海硅酸盐研究所、中科院 物理所等单位开展SiC单晶生长制备技术研究，山东大学2019年在实验室生长出了3英寸
6H-SiC单晶。
2.SiC衬底的制备
物理气相传输法（PVT）：
核心装置如右图所示：
SiC原料的升华和晶体的再生长在一个封闭的石墨 坩埚内进行，坩埚处于高温非均匀热场中。SiC原料 部分处于高温中，温度大约在2400~2500摄氏度。 碳化硅粉逐渐分解或升华，产生Si和Si的碳化物混 合蒸汽，并在温度梯度的驱使下向粘贴在坩埚低温 区域的籽晶表面输送，使籽晶逐渐生长为晶体。
5.SiC光电器件的前景
随着各个国家在SiC项目上投入力度的加大，SiC功率器件面临的技术难题正 在逐步降低，只要SiC功率器件可靠性问题解决，随着大尺寸SiC器件的发展， 价格最终不会成为制约的瓶颈。
随着SiC功率器件在民用领域特别是电动汽车领域的推广应用，相信不久的将 来，SiC功率器件会大量的应用于军事和民用的各个领域。
SiC紫外探测器： PN结型 PIN型 异质结型 肖特基势垒型 金属-半导体-金属（MSM）型
6.SiC紫外探测器的制备
实例：SiC肖特基紫外光电探测器件的研制。
器件制备的半导体材料：4H-SiC；衬底： N+型，电阻率0.014Ω*cm，厚度300um； 外延层：N型，掺杂浓度3.3E15/cm3，厚度 10um。
电力电子中的碳化硅SiC
电力电子中的碳化硅SiCSiC in Power ElectronicsVolker Demuth, Head of Product Management Component, SEMIKRON Germany据预测，采用SiC的功率模块将进入诸如可再生能源、UPS电源、驱动器和汽车等应用。
风电和牵引应用可能会随之而来。
到2021年，SiC功率器件市场总额预计将上升到10亿美元 [1]。
在某些市场，如太阳能，SiC器件已投入运行，尽管事实上这些模块的价格仍然比常规硅器件高。
是什么使这种材料具有足够的吸引力，即使价格更高也心甘情愿地被接受？首先，作为宽禁带材料，SiC提供了功率半导体器件的新设计方法。
传统功率硅技术中，I GBT开关被用于高于600V的电压，并且硅PIN-续流二极管是最先进的。
硅功率器件的设计与软开关特性造成相当大的功率损耗。
有了SiC的宽禁带，可设计阻断电压高达15kV的高压MOSFET，同时动态损耗非常小。
有了SiC，传统的软关断硅二极管可由肖特基二极管取代，并带来非常低的开关损耗。
作为一个额外的优势，SiC具有比硅高3倍的热传导率。
连同低功率损耗，SiC是提高功率模块中功率密度的一种理想材料。
目前可用的设计是SiC混合模块〔IGBT和SiC肖特基二极管〕和全SiC模块。
SiC混合模块SiC混合模块中，传统IGBT与SiC肖特基二极管一起开关。
虽然SiC器件的主要优势是与低动态损耗相关，但首先讨论SiC肖特基二极管的静态损耗。
通常情况下，SiC器件的静态损耗似乎比传统的硅器件更高。
图1.a显示了传统软开关600V赛米控CAL HD续流二极管的正向压降V f，为低开关损耗而优化的快速硅二极管和SiC肖特基二极管，所有的额定电流为10 A。
图1.a中：25℃和150℃下不同续流二极管的正向电流与正向压降。
对比了10A的SiC肖特基二极管，传统的软开关硅二极管〔CAL HD〕和快速硅二极管〔硅快速〕。
sic 器件结构解读
sic 器件结构解读
SiC（碳化硅）器件是一种广泛应用于高温、高功率和高频电子设备的半导体材料。
SiC器件的结构主要包括以下几个部分：
1. 基板：基板是SiC器件的基础，它承载着其他各个组件。
常见的基板类型有硅基板、碳化硅基板和氮化硅基板等。
2. 散热层：由于SiC材料的导热性能优异，散热层在器件结构中起到关键作用。
散热层可以帮助分散器件内部产生的热量，防止器件过热，保证其正常工作。
3. 绝缘层：绝缘层位于基板和散热层之间，主要用于隔离不同电位区域，防止电流泄漏。
常见的绝缘层材料有氧化铝、氮化硅等。
4. 导电层：导电层主要包括金属导电层和碳化硅导电层。
金属导电层主要用于连接器件的各个电极，而碳化硅导电层则可用于构建场效应晶体管（FET）等器件。
5. 电极：电极是SiC器件的关键部分，用于输入和输出电信号。
电极通常采用金属材料，如钨、钼等，以保证良好的导电性能。
6. 器件结构：SiC器件结构根据具体应用需求可以有很多种形式，如MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、功率模块等。
这些结构通常包括多个半导体层，如n型层、p型层等，以及用于隔离和连接这些层的绝缘层和导电层。
总之，SiC器件结构主要包括基板、散热层、绝缘层、导电层、电极和根据应用定制的器件结构。
了解这些部分有助于我们更好地理解SiC器件的工作原理和性能优势。
SiC单晶简介PPT课件
相传输法（PVT）。
SiC单晶生长-溶液法
5
SiC 单晶液相生长示意图
➢ C 在 Si 溶液中的溶解度极低，对于纯 Si-C 二元熔体生长体系，生长速率很低。
➢ 加入稀土和过渡金属元素，如 Fe、 Ti、 Cr等， 可以增加 C 在 Si 中 的溶解度。
The foundation of success lies in good habits
13
谢谢聆听
·学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去 战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折
Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal
SiC衬底参数
➢ 其余性质: 1. TTV, BOW, WARP; 2. 掺杂浓度； 3. 电阻率； 4. 摇摆曲线半宽; 5. 粗糙度。
11 TTV = a – b BOW = (a - b) / 2
WARP= (a - b) / 2
12
谢谢大家，请大家批评指正！
ห้องสมุดไป่ตู้在最后
成功的基础在于好的学习习惯
SiC
2016.11.1
SiC命名及结构
2
• SiC命名: 200多种结构，按照结构可以分为：
➢ α-SiC: 2H, 4H, 6H, 10H, ……
➢ β-SiC: 3C-SiC;
➢ 15R, 21R, 24R……
• SiC结构：
CSi4 共价四面体
不同晶型 Si-C 双原子层排列顺序示意图
无机半导体材料碳化硅SiC-PPT课件
着SiC体材料的生长和外延技术的成熟，各种SiC器件将会相继
出现。目前，SiC器件的研究主要以分立器件为主，仍处于以 开发为主、生产为辅的阶段。
GaN（氮化镓）、金刚石等)的衬底和X射线的掩膜等。而且，
β-SiC薄膜能在同属立方晶系的Si衬底上生长，而Si衬底由于其 面积大、质量高、价格低，可与Si的平面工艺相兼容，所以后 续PECVD制备的SiC薄膜主要是β-SiC薄膜。
四、SiC的晶体的应用前景
由于SiC具有上述众多优异的物理化学性质，不仅能够 作为一种良好的高温结构材料，也是一种理想的高温半导 体材料。近20年，伴随薄膜制备技术的高速发展，SiC薄 膜已经被广泛应用于保护涂层、光致发光、场效应晶体管、 薄膜发光二极管以及非晶Si太阳能电池的窗口材料等。另
(2)化学气象沉积法
利用化学气相沉积法制备碳化硅材料具有很多突出的优点，
如可以用高纯度的气体反应得到高纯度的单晶体，并且生长速
度可以通过调节反应温度和气氛成分比例而得到控制。由CVD 法制取SiC薄膜的反应组分可以多种多样，但大致可以分为三类： （1）硅化物（常常是SiH4 (硅烷)和碳氢（或氟）化物，如CH4 (甲烷)、C2H4 (乙烯)、C3H8 （丙烷）、CF4(四氟化碳)等，以及
格取向完全一致；碳化可以减小SiC和衬底Si之间的晶格失
配、释放应力、引入成核中心，
有利于薄膜单晶质量的提高。分子束外延的优点是： 使用的衬底温度低，膜层生长速率慢，束流强度易于 精确控制，膜层组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速 调整。用这种技术已能制备薄到几十个原子层的单晶 薄膜，以及交替生长不同组分、不同掺杂的薄膜而形 成的超薄层量子阱微结构材料。
电力电子器件PowerPoint演示文稿
（2）反向特性 反向特性类似二极管的反向 特性。 反向阻断状态时，只有极小 的反相漏电流流过。 当反向电压达到反向击穿电 压后，可能导致晶闸管发热 损坏。
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••IA •正向 •导通
•- •U•RSM•U•RRM •U•A
•雪崩 •击穿
••IH
••IG2 ••IG1 ••IG••=0
•O
•电气隔离
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•图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
•返回
电力电子器件PowerPoint演示文稿
1.1.3 电力电子器件的分类
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➢按照器件能够被控制的程度，分三类：
不可控器件(Power Diode) ——不能用控制信号来控制其通断, 因此也 就不需要驱动电路。
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•返回
电力电子器件PowerPoint演示文稿
1.3.2 晶闸管的基本特性
1）静态特性 （1）正向特性
••IA •正向 •导通
I只G=有0时很，小器的件正两向端漏施电加流正，向为电正压向， •-•U•RSM•U•RRM
阻断状态。
•U•A
••IH •O
••IG2 ••IG1 ••IG••=0 •U•DRM•U•bo •+•U•A •U•DSM
▪ 电力二极管的基本特性
1）静态特性：
主要指其伏安特性 门槛电压UTO，正向电流IF开 始明显增加所对应的电压。 与 IF 对 应 的 电 力 二 极 管 两 端 的电压即为其正向电压降UF 。 承受反向电压时，只有微小 而数值恒定的反向漏电流。
•I ••IF
•O•U•TO •U•F •U 图1-4 电力二极管的伏安特性
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电力电子器件概述(ppt 78页)
合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组
3.2.3 GTR的基本特性
(1) 静态特性
• 共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱 和区
• 在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止 区或饱和区
• 在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经 过放大区
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3.1.4 GTO的主要参数
3) 最大可关断阳极电流IATO : GTO的额定电流
4) 电流关断增益off 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大
值IGM之比称为电流关断增益
off
I ATO I GM
（1-8）
off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO
关断时门极负脉冲电流峰值要200A
GK
G
K
G
A
N2
P2 N1
P1 A
N2
G K
a)
b)
c)
图1-13
图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号
a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号
合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组
返回
3.1.2 GTO的结构和工作原理
➢ 工作原理：
合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组
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3.2.4 GTR的主要参数
1) 最高工作电压
– GTR上电压超过规定值时会发生击穿 – 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外
电路接法有关 – BUcbo> BUcex> BUces> BUcer> Buceo – 实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比
SiC介绍讲解
PJY2016.01.22
SiC 碳化硅
•1905年首次在陨石中发现少量碳化硅。 •迄今尚未找到可供开采的矿源。 •中国有碳化硅冶炼企业200多家，年生产能力200万吨。
碳化硅应用分布
主要应用于钢铁冶炼、陶瓷烧制、耐 火材料、太阳能光伏组件、磨具磨料、电 子、化工等。
SiC（碳化硅）特点
硬度高、切削力强
耐高温、热传导性好
高击穿场、高载流 子饱和速度
SiC半导体特点
•1 宽禁带：
禁带宽度：非常窄的一般是金属，反之一般是绝缘体。 半导体的反向耐压，正向压降都和禁带宽度有关。
例子：
材料
禁带宽度（ev）
Ge
0.66
Si
1.12
GaAs（砷化镓）
1.42
SiC
3.24
金刚石（一般为绝缘体）
• NPT技术:拖尾电流小
• 沟槽栅+电场终止层 技术
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
SIC电力电子器件
•1. 最成熟的SiC器件：肖特基势垒二极管（SiC单 极二极管）
•日本丰田 SiC二极管逆变器：混合动力汽车和电动汽车设备中。 •日本关西电力公司将开发的SiC逆变器用于阳光发电。 •欧洲STMicroelectronics公司的SiC二极管被用于电源管理。 •德国Infineon公司 SiC二极管 在平板显示器和计算机的电源中应用。
研磨材料。做磨 具,如砂轮、磨头等, 玉器珠宝、玻璃石 材、合金、电子元 件等的研磨及抛光、 太阳能电池基板的 切割、建筑筑路等。
作为高温间接加 热材料和冶金脱氧 剂等,制成耐热、体 积小、重量轻、强 度高和节能效果好 的高级耐火材料。
用于制造半导体 的高纯度单晶材料。 光伏逆变器、风力 发电、混合动力/全 电汽车、民用输配 电和航空航天等领 域。
电力电子器件介绍(ppt 72页)
导电特性处于导体（低价元素构成）和绝 缘体（高价元素构成）之间，称为半导体，如 锗、硅等，均为四价元素。
82: 3 6 : 5 7
共价键
价电子共有化，形成共价键的晶格结构
83: 3 6 : 5 7
1.1.1 本征半导体 纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。
一、半导体 二、本征半导体的导电情况
3.当扩散电流等于漂移电流时，达到动态 平衡，形成PN结。
185: 3 6 : 5 7
二、PN结的单向导电性
1. PN结外加正向电压时处于导通状态 加正向电压是指P端加正电压，N端加负电压， 也称正向接法或正向偏置。
186: 3 6 : 5 7
外电场
内电场
外电场抵消内电场的作用，使耗尽层变 窄，形成较大的扩散电流。
(2) 饱和区：发射结正偏，集电结正偏。
即：UCEUBE ， IB>IC，UCE0.3V
(3) 截止区： UBE< 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0
489: 3 6 : 5 7
三极管工作状态 判断方法：
RB
+ v iB
i
-
VCC RC
+
iC
vO
-
v ①当 BE
＜0.7V时，截止 ≥0.7V时，放大或饱和
580: 3 6 : 5 7
1.4 晶闸管
• 晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普通 晶闸管也称为可控硅SCR,普通晶闸管是一 种具有开关作用的大功率半导体器件。目 前，晶闸管的容量水平已达8kV／6kA。
581: 3 6 : 5 7
1.4.1 晶闸管的结构和工作原理
1. 晶闸管的结构 • 晶闸管是具有四层PNPN结构、三端引出线
电力电子器件综合概述(ppt 83页)
晶闸管的基本特性
1. 静态特性
IA
反向阻断
URO
IH 0
反向特性
反向击穿
1）IG=0时，若UA＞ UBO，则晶闸管
会出现“硬开通”现象——不允许
正
2）IG增加时，正向转折电压减小。
向 导 通
正向特性 3）晶闸管一旦导通，门极失去控制 作用。
硬开通
IG2>IG1>IG0 IG2 IG1 IG0=0
22
晶闸管的主要参数
1．电压定额
断态重复峰值电压UDRM
在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件
上的正向峰值电压。
反向重复峰值电压URRM
在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件
上的反向峰值电压。
额定电压的选取要留有
取晶闸管的UDRM和 URRM中较小的标值作 为该器件的额定电压。
一定裕量，一般取额定 电压为正常工作时晶闸 管所承受峰值电压的
3） 晶闸管具有开关作用。
导通时：相当于开关闭合；阻断时：相当于开关断开。
18
例题
电路如图，已知u2和ug波形，试画出电阻Rd两端 的电压ud波形。
2π
π
3π
晶闸管的导通时刻由u2和ug共同决定，关断则仅取决于u2的过零时刻
19
晶闸管的基本特性
1. 静态特性
伏安特性：——阳极伏安特性
晶闸管的阳极与阴极之间的电压ua与阳极 电流ia之间的关系。
通态电流临界上升率di/dt
在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大 通态电流上升率。
27
晶闸管的主要参数
晶闸管型号的命名方法：
K P □－□ □
通态平均电压组别 正反向重复峰值电压等级 额定通态平均电流 普通反向阻断型 表示晶闸管 例如：KP100-12G 表示额定电流100A、额定电压1200V、管压降1v的普通型晶闸管。
SiC材料及器件
§6 SiC材料及器件§6.1 SiC材料简介无论是半导体分立元器件还是集成电路，第一代元素半导体材料Si都是当今微电子器件的主要基底材料，Si器件占据着当今微电子器件领域的绝大部分市场份额。
除Si外，以GaAs、为代表的第二代化合物半导体也有着广泛的应用。
然而，Si器件也有着它应用的局限性。
硅材料是间接带隙，带隙宽度较小，只有1.1 eV。
这样的带隙宽度决定了当温度较高时，由热激发的本征载流子浓度超过由掺杂引起的杂质载流子浓度，使得Si成为本征半导体，掺杂特性消失，从而器件不能正常工作。
Si的热导率也较低(1.5 W/cm.K)，Si器件散热慢，限制了其在功率器件中的应用。
此外，Si的化学稳定性也一般。
Si材料的这些局限性使得它难以在高于250 o C的环境下正常工作，尤其在高频、大功率以及强辐射等极端条件下，硅器件就更难以胜任。
GaAs的禁带比Si稍宽，有利于制作需要在较高温度下工作的器件，但其热导率较低，不适合制作电力电子器件，难以在大功率和强辐射等极端条件下工作。
近年来，随着半导体器件应用领域的不断扩大，特别是有些特殊场合要求半导体适应在高温、强辐射和大功率等环境下工作，传统的一和二代半导体无能为力。
于是人们将目光投向一些被称为第三代宽带隙半导体材料的研究，如金刚石、SiC、GaN和AlN 等。
这些材料的禁带宽度在2 eV以上，拥有一系列优异的物理和化学性能。
在第三代半导体材料中，SiC和GaN已经从材料研究阶段逐步进入器件研究阶段，基于这两种材料的部分器件(如LED)已经实现商品化。
相对于GaN，SiC的导热系数明显提高，而且SiC单晶材料更容易获得，价格也相对较低，因此在高温和大功率领域SiC更有优势。
SiC 具有大禁带宽度、高临界场强、高热导率和高载流子饱和速率等特性，其品质因数远远超过了Si和GaAs(如表6所示)，因而成为制造高功率器件、高频器件、高温器件和抗辐照器件最重要的半导体材料。
新型电力电子器件—碳化硅39页PPT
谢谢！
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
新型电力电子器件—碳化硅
16、人民应该为法律而战斗，就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·。— —爱献 生
电力电子技术之电力电子器件概述PPT模版(92页)
按照载流子参与导电的情况分类： ◆单极型器件 由一种载流子参与导电。 ◆双极型器件 由电子和空穴两种载流子参与导电。 ◆复合型器件 由单极型器件和双极型器件集成混合而成，
也称混合型器件。
5. 不可控器件 —— 电力二极管
1.电力电子器件的概念
电力电子器件（Power Electronic Device） 是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能 的变换或控制的电子器件。
主电路：在电气设备或电力系统中，直接承 担电能的变换或控制任务的电路。
广义上电力电子器件可分为真空器件和半导 体器件两类，目前往往专指电力半导体器件。
动态特性
◆因为结电容的存在，电压—电流特性 是随时间变化的，这就是电力二极管的动态 特性，并且往往专指反映通态和断态之间转 换过程的开关特性。
◆由正向偏置转换为反向偏置
电力二极管并不能立即关断，而是须经 过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能 力，进入截止状态。
在关断之前有较大的反向电流出现，并 伴随有明显的反向电压过冲。
导调制效应起作用所需的大量
实际应用中，小容量二极管
采用两端引出线的引线型， 中等容量电力二极管多为螺 栓型，大容量则采用平板型。 A
A K
K
A PN K
I
J
b)
A
K
a)
c)
电力二极管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 基本结构 c) 电气图形符号
（1）二极管的基本原理——PN结的单向导电性
◆当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路 上则形成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流
新型电力电子器件—碳化硅ppt课件
作为一种新型的宽禁带半导体材料，碳化硅因其出色的物理及电 特性，正越来越受到产业界的广泛关注。碳化硅电力电子器件的重要 系统优势在于具有高压(达数万伏)高温(大于 500 ℃ )特性，突破了硅 基功率半导体器件电压(数 kV)和温度(小于 150 ℃ )限制所导致的严重 系统局限性。随着碳化硅材料技术的进步，各种碳化硅功率器件被研 发出来，由于受成本、产量以及可靠性的影响，碳化硅功率器件率先 在低压领域实现了产业化，目前的商业产品电压等级在 600~1 700 V。 随着技术的进步，高压碳化硅器件已经问世，并持续在替代传统硅器 件的道路上取得进步。随着高压碳化硅功率器件的发展，已经研发出 了 19.5 kV 的碳化硅二极管， 3.1 kV和 4.5 kV 的门极可关断晶闸管 (GTO)，10 kV 的碳化硅 MOSFET和 13~15 kV碳化硅IGBT 等。它们的研 发成功以及未来可能的产业化，将在电力系统中的高压领域开辟全新 的应用，对电力系统的变革产生深远的影响。
5
Johnson 优良指数(JFM)表示器件高功率、
高频率性能的基本限制
KFM 表示基于体管开关速度的优良指数
质量因子 1(QF1)表示电力电子器件中有源
器件面积和散热材料的优良指数
QF2则表示理想散热器下的优良指数
QF3 表示对散热器及其几何形态不加任何
假设状况下的优良指数
Baliga 优良指数 BHFM 表示器件高频应用
固态变压器是一种以电力电子技术为核心的变电装置，它通过电 力电子变流器和高频变压器实现电力系统中的电压变换和能量传递及 控制，以取代电力系统中的传统的工频变压器。与传统电力变压器相 比，具有体积小、重量轻等优点，同时具有传统变压器所不具备的诸 多优点，包括供电质量高、功率因数高、自动限流、具备无功补偿能 力、频率变换、输出相数变换以及便于自动监控等优点。
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什么是碳化硅
一种热稳定性高的半导体材料
常压下，不可能熔化SiC；在高温下（>2000 ℃ ），SiC升华分解为碳 和含硅的蒸气
一种高硬度、高耐磨性的晶体
碳化硅的莫氏硬度为9.2-9.3，仅次于金刚石 碳化硅的耐磨系数为9.15，仅次于金刚石
一种化学性质稳定的化合物
可与氧气反应形成氧化物，通常氧化温度在1200 ℃以上 在高温下（>900 ℃），能与Cl2等发生化合反应 能溶解于熔融的氧化剂中，如Na2O2
P+
N+
P-base
N+
P+
P-base
N- Drift Layer
N+
高温热氧生成SiO2 High Temperature Thermal-grown SiO2 高温N2O退火 High Temperature N2O Annealing
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其他工艺技术
表面处理技术 光刻技术 互连技术 隔离技术
SiC 外延 SiC 衬底
Page 26
刻蚀技术
干法刻蚀
SiC 外延 SiC 衬底
Page 27
掺杂技术
高温离子注入
Al SiC 外延 SiC 衬底
Page 28
钝化技术
Page 29
SiC 外延 SiC 衬底
表面钝化
金属化技术
肖特基
Page 30
SiC 外延 SiC 衬底 欧姆接触
氧化技术
Page 17
电力电子器件总揽
SiC电力电子器件
整流器件
开关器件
双极型二极管
肖特基二极管 （SBD、JBS）单极晶体管Fra bibliotek双极晶体管
PIN
JFET MOSFET BJT,
IGBT
GTO
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SiC肖特基二极管
终端保护结
阳极
漂移区
衬底
Page 19
阴极
SiC肖特基二极管
p-
p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+ p+
p-
n-
n+
Page 20
SiC JFET
Page 21
SiC MOSFET
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SiC MOSFET
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SiC IGBT
Page 24
内容提要
第一部分 第二部分 第三部分 第四部分
碳化硅材料概述 碳化硅电力电子器件 碳化硅器件工艺技术 未来发展趋势
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外延技术
在高温、辐照环境等条件下使用 在超高压和超高电流密度电子系统中使用 在超高功率-频率指数电子系统中使用
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什么是碳化硅
一种高热导率、高临界击穿电场、高载流子饱和漂移速度 的先进半导体材料
热导率为5W/cm ·K，是硅材料的三倍以上 临界雪崩击穿电场为2.5MV/cm ，是硅材料的十倍以上 载流子饱和漂移速度为2 × 107cm/s ，是硅材料的两倍
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电力电子器件选择碳化硅
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内容提要
第一部分 第二部分 第三部分 第四部分
碳化硅材料概述 碳化硅电力电子器件 碳化硅器件工艺技术 未来发展趋势
Page 16
碳化硅器件发展历程
1905年 第一次在陨石中发现碳化硅 1907年 第一只碳化硅发光二极管诞生 1955年 理论和技术上重大突破，LELY提出生长高品质碳 化概念，从此将SIC作为重要的电子材料 1958年 在波士顿召开第一次世界碳化硅会议进行学术交 流 1978年 六、七十年代碳化硅主要由前苏联进行研究。到 1978年首次采用“LELY改进技术”的晶粒提纯生长方法 1987年～至今以CREE的研究成果建立碳化硅生产线，供 应商开始提供商品化的碳化硅基电力电子器件
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什么是碳化硅
一种具有同质多型的晶体
晶体结构包括闪锌矿结构和菱形结构（ α-SiC）、纤锌矿结构（ β-SiC）， 已经被证实的多型超过200种
一种具有丰富颜色信息的晶体
不同的多型具有不同的颜色 将氮掺入SiC中具有不同的颜色
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碳化硅材料基本特性列表
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碳化硅材料能做什么
大功率LED照明领域
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碳化硅材料能做什么
大功率电力电子器件
材料
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器件
应用
碳化硅材料能做什么
珠宝
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碳化硅材料能做什么
磨料、磨具 化工
耐磨、耐火和耐腐蚀材料 有色金属 钢铁
建材陶瓷砂轮工业 冶金选矿
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电力电子器件选择碳化硅
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电力电子器件选择碳化硅
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内容提要
第一部分 第二部分 第三部分 第四部分
碳化硅材料概述 碳化硅电力电子器件 碳化硅器件工艺技术 未来发展趋势
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技术趋势
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市场趋势
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谢 谢！
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内容提要
第一部分 第二部分 第三部分 第四部分
碳化硅材料概述 碳化硅电力电子器件 碳化硅器件工艺技术 未来发展趋势
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什么是碳化硅
一种宽禁带化合物半导体材料
Ⅳ-Ⅳ族二元化合物，也是Ⅳ族元素中唯一一种固态化合物 禁带宽度为3.02eV（6H-SiC）
一种应用前景巨大地极端电子学材料