【導讀】眾多終端產(chǎn)品制造商紛紛選擇采用SiC技術(shù)替代硅基工藝，來(lái)開(kāi)發(fā)基于雙極結型晶體管（BJT）、結柵場(chǎng)效應晶體管（JFET）、金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的電源產(chǎn)品。然而，Qorvo研發(fā)的SiC“共源共柵結構”FET器件（如圖2所示）使這項技術(shù)更進(jìn)一步。這些器件基于獨特的“共源共柵結構”電路配置，將一個(gè)常開(kāi)型SiC JFET器件與一個(gè)硅基MOSFET共同封裝，形成一個(gè)集成的常關(guān)型SiC FET器件。在接下來(lái)的段落中，我們將詳細闡述 Qorvo 研發(fā)的 SiC FET（共源共柵結構FET）相較于同類(lèi)SiC MOSFET的顯著(zhù)優(yōu)勢。
在之前一篇題為《功率電子器件從硅（Si）到碳化硅（SiC）的過(guò)渡》的博文中，我們探討了碳化硅（SiC）如何成為功率電子市場(chǎng)一項“顛覆行業(yè)生態(tài)”的技術(shù)。如圖1所示，與硅（Si）材料相比，SiC具有諸多技術(shù)優(yōu)勢，因此我們不難理解為何它已成為電動(dòng)汽車(chē)（EV）、數據中心和太陽(yáng)能/可再生能源等許多應用領(lǐng)域中備受青睞的首選技術(shù)。
圖1.硅與碳化硅的對比
眾多終端產(chǎn)品制造商紛紛選擇采用SiC技術(shù)替代硅基工藝，來(lái)開(kāi)發(fā)基于雙極結型晶體管（BJT）、結柵場(chǎng)效應晶體管（JFET）、金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的電源產(chǎn)品。然而，Qorvo研發(fā)的SiC“共源共柵結構”FET器件（如圖2所示）使這項技術(shù)更進(jìn)一步。這些器件基于獨特的“共源共柵結構”電路配置，將一個(gè)常開(kāi)型SiC JFET器件與一個(gè)硅基MOSFET共同封裝，形成一個(gè)集成的常關(guān)型SiC FET器件。在接下來(lái)的段落中，我們將詳細闡述 Qorvo 研發(fā)的 SiC FET（共源共柵結構FET）相較于同類(lèi)SiC MOSFET的顯著(zhù)優(yōu)勢。
圖2.Qorvo SiC FET（“共源共柵結構”FET）器件結構框圖
SiC MOSFET或SiC FET與硅基器件相比擁有幾個(gè)顯著(zhù)優(yōu)勢。首先，SiC作為一種寬帶隙材料，具有更高的擊穿電壓，因而可以使用更薄的器件來(lái)支持更高的電壓。除此之外，SiC相較于硅基器件還有以下優(yōu)勢：
對于給定的電壓和電阻等級，SiC可以實(shí)現更高的工作頻率，因此可以減少無(wú)源器件的體積，從而減小整個(gè)系統的尺寸及成本 對于更高的電壓等級（1200V或更高），SiC能夠以較低的功率損耗實(shí)現高頻開(kāi)關(guān)；而在如此電壓等級下仍能勝任的硅基器件實(shí)際上幾乎不存在 在任何給定的封裝中，SiC相對硅基產(chǎn)品具有更低的導通電阻和開(kāi)關(guān)損耗 在與硅器件相同的設計中，SiC能夠讓客戶(hù)獲得更高的效率、更出色的散熱性能，和更高的系統額定功率
這些優(yōu)勢同樣體現在Qorvo SiC FET的性能上。作為一種更新且功能更強大的器件，Qorvo SiC FET針對多種功率應用進(jìn)行了優(yōu)化，并帶來(lái)了以下額外收益：
Qorvo SiC FET的架構采用標準硅柵極驅動(dòng)器，這使得從硅到SiC的過(guò)渡更加順暢，同時(shí)也為設計師提供了更大靈活性 在給定封裝中，具有行業(yè)最低的漏-源導通電阻 RDS(ON)，可最大程度提升系統效率 更低的電容允許更快的開(kāi)關(guān)速度，進(jìn)而實(shí)現更高的工作頻率；這進(jìn)一步減小了電感器和電容器等大體積無(wú)源元件的尺寸 與硅基IGBT相比，SiC FET在更高電壓等級（1200V或更高）能夠實(shí)現更高的工作頻率。硅基IGBT雖然傳統上服務(wù)于這一細分市場(chǎng)，但通常速度較慢，僅在較低頻率下使用，因此開(kāi)關(guān)損耗較高 Qorvo SiC FET器件能在給定RDS(ON)的條件下獲得更小的裸片尺寸，并減輕SiC MOSFET產(chǎn)品常見(jiàn)的柵極氧化物可靠性問(wèn)題
讓我們花一些時(shí)間更深入地了解SiC MOSFET與Qorvo SiC FET兩種功率技術(shù)間的差異。從下面的圖3中，我們會(huì )發(fā)現SiC MOSFET技術(shù)不同于Qorvo的集成SiC FET——這是精心設計的結果。Qorvo利用SiC JFET消除了SiC MOSFET的柵極氧化層，進(jìn)而消除了溝道電阻，讓裸片尺寸更為緊湊。
Qorvo SiC JFET較小的裸片尺寸成為其差異化優(yōu)勢的一個(gè)關(guān)鍵所在，并通過(guò)圖4所示的‘RDS(ON) x A’(RdsA)品質(zhì)因數（FOM）得到最佳體現。這意味著(zhù)對于給定的芯片尺寸，Qorvo SiC FET提供了更低的導通電阻額定值；換言之，在相同的RDS(ON)條件下，Qorvo SiC FET所需的SiC裸片尺寸更小。Qorvo憑借在RdsA FOM方面的卓越表現樹(shù)立了行業(yè)領(lǐng)先地位；其所提供的超低額定電阻產(chǎn)品能適用TOLL和D2PAK等相對較小的行業(yè)標準封裝，讓這一點(diǎn)得以充分展現。
圖3.SiC MOSFET與Qorvo SiC FET的比較
Qorvo的SiC FET與SiC MOSFET相比具有更低的輸出電容Coss。輸出電容較低的器件在低負載電流下開(kāi)關(guān)速度更快，電容充電延遲時(shí)間更短。這意味著(zhù)，由于減少了對電感器和電容器等較大體積無(wú)源元件的需求，使得終端設備能夠實(shí)現更小的體積、更輕的重量、更低的成本，并獲得更高的功率密度。
圖4.Qorvo SiC FET與SiC MOSFET競品對比
SiC MOSFET還面臨以下技術(shù)挑戰：
SiC MOS溝道電阻高，導致電子遷移率較低 在柵極偏壓較高的情況下，Vth可能發(fā)生漂移；這限制了柵極到源極的電壓驅動(dòng)范圍 體二極管具有較高的拐點(diǎn)電壓，因此需要同步整流
然而，采用Qorvo SiC FET后，上述缺陷得以根本解決，原因如下：
SiC JFET 結構的器件上摒棄了MOS（金屬氧化物）結構，因此器件更加可靠 相同芯片面積下，漏極至源極電阻更低 電容更低，相當于更快的開(kāi)關(guān)轉換和更高的頻率
盡管市場(chǎng)上可供選擇的SiC功率半導體種類(lèi)繁多，但在某些特定應用中，一些器件的表現確實(shí)比其它器件更為出色。Qorvo的集成SiC“共源共柵結構”FET技術(shù)便是其中的佼佼者；其憑借低RDS(ON)、低輸出電容，和高可靠性等獨特優(yōu)勢提供了卓越性能。這些品質(zhì)因數推動(dòng)Qorvo的SiC FET技術(shù)在其它技術(shù)無(wú)法企及的領(lǐng)域大放異彩。此外，SiC FET的附加性能使其在A(yíng)C/DC電源單元、DC/DC儲能和可再生能源應用，以及電動(dòng)汽車(chē)快速充電器中實(shí)現更高的效率。
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