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1、1SiC半導(dǎo)體材料的特性及其在半導(dǎo)體材料的特性及其在艦船上的應(yīng)用艦船上的應(yīng)用 1031110882Contents引言引言SiC半導(dǎo)體材料的特性半導(dǎo)體材料的特性現(xiàn)有的現(xiàn)有的SiC器件器件SiC器件在艦船上的應(yīng)用器件在艦船上的應(yīng)用結(jié)束語結(jié)束語3引言引言 v SiC半導(dǎo)體材料具有寬禁帶隙、高擊穿電場、高熱導(dǎo)率、高飽和電子遷移率，高耐輻照等特點，可以制成體積小、重量輕的器件。它在海軍艦艇的高溫、高頻、大功率、光電子以及抗輻射器件等方面具有巨大的應(yīng)用潛力。v 隨著艦船的全電力化進程，電力武器、通信、雷達的發(fā)展對發(fā)電、輸送、貯存、轉(zhuǎn)換和控制開關(guān)等使用的材料和器件提出了更高要求，傳統(tǒng)使用的Si半導(dǎo)體材料及

2、器件已經(jīng)不能滿足高電壓、高頻和高溫條件下工作的需求，為適應(yīng)上述工作環(huán)境，需要開展SiC半導(dǎo)體材料和器件的研究。4SiC半導(dǎo)體材料的特性半導(dǎo)體材料的特性性能性能v 組織特點：由Si和C兩種原子構(gòu)成；基本結(jié)構(gòu)單元為正四面體結(jié)構(gòu)，大量的結(jié)構(gòu)單元在頂角相連結(jié)合，即構(gòu)成SiC晶體；有200多種同質(zhì)異構(gòu)體。v 性能特征：SiC半導(dǎo)體材料具有寬禁帶隙、高擊穿電場、高熱導(dǎo)率、高飽和電子遷移率，高耐輻照等特點，可以制成體積小、重量輕的器件。SiC是非常硬的物質(zhì)，彈性模量為424 GPa，其硬度僅次于金剛石和碳化硼。SiC的熔點為2800(3.5MPa下)，其熱穩(wěn)定性很高。SiC具有很大的化學(xué)惰性。5Realit

3、yIdentitySiC與與Si半導(dǎo)體材料的特性半導(dǎo)體材料的特性SiC晶格類型舉例晶格類型舉例6 現(xiàn)有的現(xiàn)有的SiC器件器件肖特基器件肖特基器件單極型功率單極型功率器件器件雙極型功率雙極型功率器件器件SiC器件器件7肖特基器件肖特基器件v 普通肖特基器件開關(guān)頻率高，正向壓降低，但反向擊穿電壓比較低。v SiC肖特基二極管可以在一定程度上克服此缺點。Cree公司生產(chǎn)的產(chǎn)品性能：在1200V反向偏壓下，25時漏電為50A，200時的漏電流為100A8單極型功率器件單極型功率器件v SiC門極絕緣型場效應(yīng)晶體管具有低比導(dǎo)通電阻，高工作頻率和高溫工作穩(wěn)定性，已制成SiC芯片大約是SiC導(dǎo)態(tài)電阻的1/3

4、0通態(tài)電壓隨溫度變化穩(wěn)定。v SiC面結(jié)型場效應(yīng)晶體管已達到在500工作2000小時無衰減。9雙極型功率器件雙極型功率器件v 11cm4H-SiC器件晶閘管，在100A時正向阻斷電壓為5.2KV，其開關(guān)時間小于2000ns,比同類類型Si晶閘管速度快10倍以上。v 12KVSiC絕緣柵雙極晶體管轉(zhuǎn)換效率高達8510SiC器件在艦船上的應(yīng)用器件在艦船上的應(yīng)用SiC航空母艦固態(tài)變電航空母艦固態(tài)變電站上的應(yīng)用站上的應(yīng)用導(dǎo)彈驅(qū)逐艦導(dǎo)彈驅(qū)逐艦綜合電力系綜合電力系統(tǒng)上的應(yīng)用統(tǒng)上的應(yīng)用艦船雷達艦船雷達上的應(yīng)用上的應(yīng)用11航空母艦固態(tài)變電站上的應(yīng)用航空母艦固態(tài)變電站上的應(yīng)用 根據(jù)航空母艦配電系統(tǒng)的要求，已進行

5、了SiC基固態(tài)變電站的研究。研究SiC器件為基的固態(tài)變電站可以實現(xiàn)下列效益： 1)減輕重量和減少體積； 2)改善和實現(xiàn)精確的電壓調(diào)節(jié)，使電力效率提高20； 3)實現(xiàn)快速故障檢測、保護； 4)容易貯存能量并裝有多個抽頭的直流配電和輸出。 采用新型數(shù)字式SiC基固態(tài)變電站后，轉(zhuǎn)換電源的工作頻率可從60 Hz提高到20 kHz，單臺重量從6 T降低到1.7 T，體積從10 m3減小到2.7 m3，輸出方式由固定單項輸出改善為多抽頭輸出，使其電能質(zhì)量，可恢復(fù)性，重量、體積、模塊和與電力系統(tǒng)的兼容性最佳化。12導(dǎo)彈驅(qū)逐艦綜合電力系統(tǒng)上的應(yīng)用導(dǎo)彈驅(qū)逐艦綜合電力系統(tǒng)上的應(yīng)用v EMPF公司將在海軍DDG 1

6、000綜合電力系統(tǒng)內(nèi)使用寬帶隙半導(dǎo)體器件。v EMPF公司對SiC和Si飽和電流、電壓、瞬態(tài)時間和功率消耗進行了比較。在大多數(shù)情況下建模結(jié)果揭示當(dāng)用SiC器件代替Si器件時其性能得到很大改善。v 在測試線路中用SiC VJFET代替Si IGBT，功率消耗改善25倍。SiC VJFET開關(guān)速度比Si IGBT更快，由于SiC VJFET的瞬變時間比Si IGBT的短200倍以上。13艦船雷達上的應(yīng)用艦船雷達上的應(yīng)用v 未來的海軍艦載雷達系統(tǒng)將需要高功率，高穩(wěn)定性，快速的射束轉(zhuǎn)換。目前使用最好的的鐵氧體高功率移相器技術(shù)仍不能滿足未來海軍雷達對開關(guān)速度、大小和成本的要求。v F&HASA公司開發(fā)了SiC基固態(tài)高功率相移器，性能優(yōu)越。v 洛克希德馬丁公司發(fā)使用了基于 SiC的高功率收發(fā)S4R EDM(一種有源的、電子控制的、基于天線的雷達系統(tǒng))。由于熱容高，所以碳化硅可以提供比其他通用材料高得多的功率，由于功率提高了，所以雷達的探測范圍也增加了，并且可以提供更加精確的目標(biāo)。v SemiSouth實驗室從ONR得到價款260萬美元的合同，用于大功率雷達系統(tǒng)的SiC射頻晶體管的制造工藝的開發(fā)。14結(jié)語結(jié)語 美國根據(jù)海軍先進艦船需要而制訂了寬帶隙半導(dǎo)體高功率電子器件計劃，從SiC材料的制備，器件和模塊的制造到固態(tài)變電站的演示的一體化研發(fā)工作是值得我們借鑒的。該國著名SiC