【導讀】東京——東芝電子元件及存儲裝置株式會(huì )社（簡(jiǎn)稱(chēng)“東芝”）今日宣布了一種可提高碳化硅（SiC）MOSFET[1]可靠性的新器件結構問(wèn)世。相較于東芝的典型器件結構，MOSFET內嵌的肖特基勢壘二極管[2]（SBD）可在抑制導通電阻增大的同時(shí)，將器件結構的可靠性提高10倍以上[3]。
功率器件是降低車(chē)輛以及工業(yè)設備和其它電氣設備能耗的重要元器件，而碳化硅相較于有機硅可進(jìn)一步提高電壓并降低損耗，因此業(yè)界普遍預期碳化硅將成為新一代的功率器件材料。雖然碳化硅材質(zhì)的功率器件目前主要用于列車(chē)逆變器，但其今后的應用領(lǐng)域非常廣泛，包括用于工業(yè)設備的各種光伏發(fā)電系統（PPS）和電源管理系統（PMS）。
目前可靠性問(wèn)題是碳化硅器件利用和市場(chǎng)增長(cháng)的攔路虎，問(wèn)題之一涉及位于功率MOSFET的電源與列車(chē)之間的PN結二極管[4]。PN結二極管的外施電壓使其帶電，造成導通電阻變化，進(jìn)而有損于器件的可靠性。東芝新推出的肖特基勢壘二極管（SBD）內嵌式MOSFET器件結構正是此問(wèn)題的克星。
該新結構中有一個(gè)與電池單元內的PN結二極管平行設置的肖特基勢壘二極管，可防止PN結二極管帶電。相較于PN結二極管，內嵌肖特基勢壘二極管的通態(tài)電壓更低，因此電流會(huì )通過(guò)內嵌肖特基勢壘二極管，進(jìn)而抑制導通電阻變化和MOSFET可靠性下降等問(wèn)題。
內嵌肖特基勢壘二極管的MOSFET現已投入實(shí)際應用，但僅限于3.3kV器件等高壓產(chǎn)品；內嵌肖特基勢壘二極管通常會(huì )使導通電阻升高至僅高壓產(chǎn)品能承受的一個(gè)電壓水平。東芝在調整各個(gè)器件參數后發(fā)現MOSFET中肖特基勢壘二極管的面積比是抑制導通電阻增大的關(guān)鍵因素。東芝通過(guò)優(yōu)化肖特基勢壘二極管的這一比例，實(shí)現了1.2kV級高可靠型碳化硅（SiC）MOSFET。
東芝計劃自今年八月下旬起利用這項新技術(shù)開(kāi)始量產(chǎn)1.2kV級碳化硅（SiC）MOSFET。
2020年7月德國紐倫堡國際電力電子系統及元器件展覽會(huì )（PCIM Europe）上報道了該新器件結構的詳情，這是一次在線(xiàn)舉辦的國際性功率半導體展會(huì )。
注
[1] MOSFET：金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管
[2] 肖特基勢壘二極管（SBD）：通過(guò)半導體與金屬接合形成的一種半導體二極管
[3] 東芝規定當以250A/cm2的電流密度通過(guò)電源向某器件的漏極通電1,000小時(shí)后才出現導通電阻變化，即視為該器件可靠。東芝的典型MOSFET的導通電阻變化率高達43%，而肖特基勢壘二極管（SBD）內嵌式MOSFET的這一變化率僅為3%。
[4] PN結二極管：通過(guò)在電源與漏極之間設置PN結形成的一種二極管
肖特基勢壘二極管（SBD）內嵌式MOSFET的結構
肖特基勢壘二極管（SBD）內嵌式MOSFET可抑制導通電阻變化
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