1、SiC基JBS二极管的特性和应用
SiC基JBS二极管的剖面结构如1所示，其阳极（Anode）可以采用Ti作为肖特基金属，阴极（Cathode）则可以采用硅化的Ni。JBS二极管是实用化程度最高的SiC基电力电子器件。但由于是一种不可控的电力电子器件，二极管在电力电子模块中主要是和其他的开关器件作反并联使用。与Si基耐高压的PIN二极管相比而言，SiC基JBS二极管是一种多子器件，工作时在结处不存在少数载流子的积累，因此在电子开关关断的过程中就没有反向恢复电流，可以减小关断损耗，同时在开通过程中也能减小与之并联的开关器件的损耗。W.Erdman等人在2.3MW中压三级风能变换器的应用设计中，采用SiC基JBS二极管模块取代4.5-kV的Si基PIN二极管，而功率开关器件仍采用Si基IGBT，使变换器的开关损耗减小了10kW数量级[10]。而当SiC基JBS二极管和其它的SiC基电力电子器件一起使用时，将获得更大的开关损耗降低。现有SiC基电力电子器件都是基于4H-SiC制造的，但其制备温度高，成本大，难以获得大尺寸的基片，使SiC基电力电子器件在中低压范围内相对于Si基IGBT和PID二极管而言，并无明显优势。因此，F.Li等人也研究了基于3C-SiC材料横向结构的二极管。
2SiC基MOSFET的特性和应用
众所周知，MOSFET是一种单极性器件，特别适合于工作在高频率开关变换系统中。当前电力电子变化系统中应用最为广泛的Si基IGBT器件的开关频率只有10-20kHz，因为随着开关频率的进一步增加，其开关损耗会急剧增加。SiC基的MOSFET由于没有拖尾电流和更低的开关损耗，使其可工作在比Si基IGBT更高的频率范围内，可达几百kHz。SiC基MOSFET的一种典型的剖面结构如图2所示[12]，其制备过程中的关键因素是对JD区域的掺杂控制和栅极氧化物绝缘层与4H-SiC表面之间的处理。JD的区域的掺杂控制不仅影响整个器件的导通电阻，而且对导通电阻的温度系数也有非常大的影响，进而对器件的损耗特性产生影响。栅极氧化物绝缘层与4H-SiC表面之间的处理则关系到MOSFET器件的成败[1,13]。在氧化物绝缘层与4H-SiC表面很难获得完美的表面，通常在4H-SiC表面存在较大的界面态密度，这些界面态会俘获表面导电沟道内的载流子，限制了表面载流子的迁移率，使得导通电阻非常大，进而限制了MOSFET器件的实际应用。目前，常用的表面处理方法为在Al2O3和4H-SiC之间增加一薄层SiO2，使界面性能得到较好的改进，也使得SiC基MOSFET得以商业化。基于SiC基MOSFET的电力电子变换系统也得到了深入地研究，与基于Si基IGBT的变换系统相比，在100－200kHz的高频范围内，获得了50%以上的开关损耗降低[14,15]。尽管如此，SiC基MOSFET的高频开关过程会出现较大的电压或电流过冲，或者产生高频振荡，从而给器件较大的电应力，或者产生EMI（ElectricMagneticInterference）问题。且与Si器件相比，由于其具有较高的di/dt、dV/dt能力，SiC基MOSFET开关特性更敏感的依赖于其寄生参数。栅极驱动最大电流、栅极电阻、开关回路的杂散电感以及共源电感都会影响到SiC基MOSFET的高频开关特性。为此，围绕SiC基MOSFET的高频驱动问题，也有很多研究工作得到了开展[16-18]。随着SiC基MOSFET制备技术的改进和驱动问题的解决，其将在电力电子的高频开关领域得到广泛地应用。
3SiC基JFET的特性和应用
SiC基JFET也是一种耐高压的单极性器件，导通电阻低，具有比Si基IGBT更高的工作频率。其器件结构较SiC基MOSFET简单，制备工艺更为完备，是目前SiC基器件中得到最为广泛应用的全控器件。它也是电压控制型器件，有常开和常闭两种基本类型。目前SiC基JFET在应用中存在以下问题：1）由于4H-SiC材料制备需要经过达2000℃的高温处理，其单片尺寸只能做到6英寸[11]，因此单片4H-SiC制成的JFET功率负荷有限，在大功率电力电子变化系统中就需要将多个分离的JFET器件并联使用，各个器件的参数很难匹配，这会引起并联驱动的问题[19,20]；2）由于SiC基JFET的导通电阻是通过减小有源层厚度获得的，因此其寄生参数都较大，并会对开关特性产生影响，这对于其高频驱动同样会带来问题；3）对于常闭型JFET，若要获得较低的开通电阻，栅极需要较大的驱动电流，这会增加其损耗。
4SiC基BJT的特性和应用
SiC基BJT是一种双极型器件，最大的特点在于其导通电阻低，能达到2.3mΩ·cm2，是现有SiC基电力电子器件中最低的。但其是电流驱动型器件，开通时需要持续给基极提供电流，从而使其损耗较大。同样由于受到材料芯片尺寸的限制，也存在多个分离器件并联的驱动问题[21]。
5结语
通过上述分析，可以发现，SiC电力电子器件虽已有商业化的器件供应，但受限于大尺寸4H-SiC芯片的制备，其单个的器件很难做到足够大的额定功率。在实际高电压、高功率和高频率的电力电子变换系统中的应用，都需要将多个分离的SiC基分离器件并联使用，这就使得在并联驱动方面或多或少的都存在一些问题。随着材料制备技术的完善和器件驱动技术改进，SiC电力电子器件将会得到更为广泛地应用。
作者：黄帅 单位：贵州铜仁学院物理与电子工程学院
