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2.1 可集成功率半导体器件:
功率器件分类:功率二极管、功率开关器件(晶体管/晶闸管)
功率二极管:肖特基势垒二极管(Schottky Barrier Diode,SBD)、P-i-N二极管
肖特基势垒二极管是单极器件,依靠电子导电,开关频率高,无电导调制效应使其比导通电阻(specific on-resistance)会随击穿电压升高而迅速上升。
硅基的肖特基势垒二极管通常工作在200V以下的电压范围内;基于碳化硅材料优良特性的碳化硅肖特基势垒二极管则被广泛应用于高压大电流领域。(JBS结构是目前商业化SiC肖特基势垒二极管的主流方案)
P-i-N二极管因为电导调制效应而具有高耐压和大电流的特性,但由于关断时存在非平衡载流子抽取过程,器件反向恢复时间较长,限制其高频应用。
功率开关器件之晶体管:BJT、MOSFET、IGBT
BJT是电流控制型的双极开关器件,早期代表性产品之一,虽然存在二次击穿,安全工作区受各项参数影响而变换大、热容量小及过流能力低,但由于其成熟的加工工艺、极高的成品率和低廉成本,使其在此类器件中占有一席之地。
其中SiC基BJT与Si基功率双极型晶体管相比,其具有低20~50倍的开关损耗以及更低的导通压降。同时,SiC BJT的基极和集电极可以很薄,从而提高了SiC BJT的电流增益和开关速度,由于二次击穿的临界电流密度大约是Si的100倍而免于传统的二次击穿困扰。目前SiC BJT主要分为外延发射极和离子注入发射极两种,典型的电流增益在10~50之间。
LDMOS是SPIC中最常用的功率器件,作为压控单极器件,具有输入阻抗高、驱动电路简单和开关速度快等特点。相比于纵向双极扩散MOSFET(Vertical Double-Diffuse MOSFET),LDMOS的耐压受限于漂移区的长度,耐高压需要较长漂移区,导致表面积更大,增大了其导通电阻,同时增加了制造成本。
IGBT利用双极载流子导电形成电导调制效应,从而显著降低导通电阻,这项技术在高压应用领域尤其有效。LIGBT具有高压、大功率、低功耗以及易于集成等优点,常常应用在单片集成功率芯片中。