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作者:海飞乐技巧 时光:2018-08-06 17:26

  碳化硅(SiC)半导体资料是自第一代元素半导体资料(Si、Ge)和第二代化合物半导体资料(GaAs、GaP、InP等)之后开展起来的第三代半导体资料。作为一种宽禁带半导体资料,碳化硅存在禁带宽度大、击穿场强高、热导率大、载流子饱和漂移速率高、介电常数小、抗辐射才能强、化学稳固性精良等特色,能够用来制作种种耐低温的高频大功率器件,利用于硅器件难以胜任的场所,或在个别利用中发生硅器件难以发生的后果。
 
  1. 碳化硅资料的特色
  SiC资料的一个明显特色是同质多型,制造器件最常用的是4H-SiC和6H-SiC两种。如表1所示,和传统的半导体资料,如Si、GaAs等比拟,SiC材料存在更高的热传导率(3~13倍),使得SiC器件能够在低温下长时光稳定任务;更高的临界击穿电场(4~20倍)和更大的载流子饱和速度,有利于进步器件的任务频率。

表1 差别半导体资料的特征比较
差别半导体资料的特征比较 
 
  2. SiC资料制备
  SiC单晶的制备最常用的方式是物理气相传输(PVT),大概占晶圆供给量的90%以上。别的,低温化学气相淀积(CVD)也越来越主要,该方式能发生极低杂质含量的晶锭。同时,这两种方式均可利用于制备SiC外延。20世纪50年月Lely使用两层石墨舟,使外层的坩埚加热到2500℃,SiC透过里层的多空石墨升华进入内层构成晶体。70年月前期,Tairrov和Tsvetkov对Lely法停止了改良,SiC源在石墨舟的底部,底部温度达2200℃,顶部温度较低并放置籽晶,温度梯度为20~40℃/cm,这种方式又称为PVT。
 
  因为SiC单晶的制备难度较大,本钱高,因而SiC外延成长在SiC器件技巧中无足轻重。对于差别的衬底,成长SiC外延能够分为两种:以SiC为衬底的同质外延成长和以Si和蓝宝石为衬底的异质外延成长。自从较大直径的SiC晶片贸易化后,SiC同质外延成长技巧开展很快,SiC同质外延成长重要采取以下方式:升华或物理气相传输(PVT)、分子束外延(MBE)、液相外延(LPE)及化学气相淀积(CVD)。
 
  分子束外延法将原资料停止蒸发并作为分子束停止传输,最后达到经由预热、处于扭转状况的衬底。这种方式能够供给高纯品质、高精准厚度、高温(600~1200℃)的外延层。液相外延是一种绝对比拟简单并且本钱较低的成长方式,成长产生在三相均衡线上,但这种方式对外延层名义描写难以停止很好地把持,进而限度了LPE的应用。
 
  化学气相淀积法中,衬底放在扭转同时被加热的石墨托盘上,气相的分子束分散到衬底名义并剖析,由衬底名义接收后与名义反映,造成外延层。这种方式现在是SiC衬底出产的重要外延工艺。
 
  3. SiC功率器件及利用
  SiC功率器件重要包含功率365体育网址(SBD和PiN等)、单极型功率晶体管(MOSFET、JFET和SIT等)和双极型载流子功率晶体管(BJT和GTO等)。
 
  3.1 功率365体育网址
  肖特基势垒365体育网址(SBD)作为一种单极性器件,在导经由过程程中没有额定载流子注入和贮存,因此根本没有反向规复电流,其关断进程很快,开关消耗很小。因为碳化硅资料的临界雪崩击穿电场强度较高,能够制造出超越1000V的反向击穿电压。在3kV以上的整流器利用范畴,因为SiC PiN365体育网址与Si器件比拟存在更快的开关速率、高结温蒙受才能、高电流密度和更高的功率密度,SiC PiN365体育网址在电力装备、能量贮备、超高压固态电源范畴扮演更主要的脚色。
 
  3.2 单极型功率晶体管
  碳化硅MOSFET的凸起上风表现在:导通电阻小;低电容,开关速率快;驱动电路简略;正温度系数易于并联。因此,利用碳化硅MOSFET可能进步系统的效力,降低散热需要,进步开关频率且增添雪崩强度。这些上风决议了其在太阳能转换器、高压DC/DC变更器和电机驱动等范畴中存在辽阔的利用。因为SiC MOSFET存在沟道电子迁徙率和SiO2层击穿的成绩,因此作为没有肖特基打仗和MOS界面的单极器件SiC JFET就很有吸引力。SiC JFET有着精良的特征和构造和绝对简化的制作工艺。SiC JFET产物分为常开沟道型(normally-on)和常闭沟道型(normally-off)两种,此中常闭沟道型可能与现有的尺度栅极驱动芯片相婚配,而常开沟道型则须要负压保持关断状况。SIT(静电感应晶体管),重要用于从超高频到微波频率的大功率缩小器和发射器、电源调理设备中的大功率转换。
 
  3.3 双极型载流子功率晶体管
  SiC双极型功率器件BJT因SiC临界雪崩击穿电场强度是Si的10倍,而比Si BJT的二次击穿临界电流密度高100倍,不会有Si BJT那样严格的二次击穿成绩,别的,临界雪崩击穿电场强度高这一资料上风也使SiC BJT在雷同的阻断电压下可比Si BJT有较窄的基区和集电区,这对进步电流增益β和开关速率十分有利,SiC BJT重要分为外延发射极和离子注入发射极BJT,典范的电流增益在10~50之间。与碳化硅功率MOS比拟,对3kV以上的阻断电压,碳化硅晶闸管的通态电流密度能够进步几个数目级,特别合适高压大电流开关方面的利用。对碳化硅晶闸管的开辟重要会合于GTO,现在阻断电压最大的GTO器件,阻断电压为12.7kV。
 
  4. 停止语
  SiC资料的精良特征及SiC功率器件的宏大机能上风,鼓励着人们一直地研讨与开辟,跟着大尺寸SiC晶圆成长技巧和器件制作技巧的的开展,SiC功率器件将在民用和军事方面失掉更普遍的利用。




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