您知道碳化矽優值係數（Figures of Merit）的重要性嗎
電力電子學涵蓋了從毫瓦到兆瓦的廣泛應用。目前，電動車充電器及其動力系統、太陽能發電和電網儲能的能源儲存，是三個特別受關注的領域。
當然，所有這些領域的基本主題是節約能源以降低成本和環境影響。作為其中的一部分，電力轉換階段的效率是一個重點，所使用的半導體也是如此。
對於電動車來說，目標是要從給定的電池滿充值中達成最快的充電時間和最長的續航里程。在太陽能方面，損耗必須最小化，以使安裝在經濟上可行，能夠快速收回投資。儲能系統使能源分配更加可靠和多功能，提供峰值電力需求，並作為汽車電池或其他可再生資源（如太陽能和風能）中多餘能量的儲存器。
碳化矽半導體是能源市場增長的助推器
在上述所有情況下，都有AC-DC、DC-DC和DC-AC功率轉換的器件，以及功率因數校正，都是通過開關電源級實現的。歷史上所使用的半導體是高功率的IGBT，也許是低功率的矽MOSFET。然而，新的寬頻隙半導體被越來越多地使用，特別是碳化矽（SiC）MOSFET和二極體，因為它們在高頻開關時損耗較低，這本身就大大節省了尺寸、重量和成本。
碳化矽半導體現在是上述領域增長的助推器。太陽能組串逆變器的年複合增長率為13%，汽車充電器的年複合增長率為26%，分散式儲能系統的年複合增長率為17%。事實上，一些開關拓撲結構只能搭配寬頻隙器件才是實用的，如現在流行的高功率下的圖騰柱PFC。
主要的半導體製造商都已進入寬頻隙器件市場，並宣傳其產品在某些方面具有競爭優勢。這可能使產品設計師在選擇時感覺困難。但既定的優值係數（Figures Of Merit，FOM）可以用來比較不同器件。首先，拿它來說明 SiC 相對於矽技術的優勢是很有用的。
碳化矽材料特性總結
碳化矽技術有利於更好的導熱性。(來源：安森美）
在終端應用中的好處，是更低的傳導損耗和更低的開關損耗，因此在IGBT可能被限制在20kHz以下的典型應用中，開關頻率可以被推高到數十或數百kHz。更高的頻率使相關的無源元件更小，特別是儲能和濾波功能的電感器。
另外，開關頻率可以保持在較低的水準，動態損耗也變得如此之小，以至於幾乎不需要散熱器，從而減小硬體、能源成本和重量。由於 SiC 具有更好的導熱性和潛在的更高工作晶片溫度，SiC 還能在給定的晶片尺寸上實現更高的耗散，儘管實際上這一定程度受到封裝材料的限制。
使用優值係數（FOM）進行同類項比較
碳化矽的相對優勢必須在特定條件下進行評估才有效，這就是FOM適用於某一特定類別器件的地方。
例如，比較額定電壓為60V的SiC MOSFET和額定電壓為650V的SiC MOSFET的導通電阻是沒有用的，即使在給定的額定電壓下，還有其他因素。例如，onsemi的650V額定SiC MOSFET在柵源電壓為18V的情況下，具有市場上最低的導通電阻。競品部件也可以達到相同的電阻，但只有在VGS限制在15V的情況下。FOM RDS.A 也很有用，它是一個特定電壓等級器件的導通電阻和晶片面積的乘積。這概括了導通損耗和裸片尺寸（die size）的實際權衡，這反過來又影響到器件電容、開關能量和每個晶圓（wafer）的裸片數量。這也暗示了預期的成本，每片晶圓上有更多的裸片可以帶來規模經濟。然而，較小的裸片對外殼的熱阻相對較高。
FOM也可能只在某些情況下相關。例如，RDS.QG將導通損耗與柵極電荷聯繫起來 —— 柵極電荷在柵極驅動電路中產生與頻率有關的動態損耗，但這些損耗只有在非常高的開關速率下才變得重要，因為SiC MOSFET的QG反正是非常低。然而，損耗會隨著柵極總電壓的擺幅而增加，因此如果在off狀態下柵極從最大的正電壓被驅動到負電壓，損耗就會相對較高。另一個與應用有關的FOM是RDS.EOSS。這結合了軟開關拓撲結構中的傳導損耗和動態損耗，而RDS.QRR更適用於硬開關電路，其中器件本體二極體的能量回收QRR必須小，以實現較低的動態損耗。對於SiC二極體，一個有用的FOM是VF.QC，一個低VF.QC數值標誌著低正向壓降和反向電荷的組合達到了最小的整體損失。
其他可以在Si和SiC以及SiC器件之間進行比較的參數有：柵極閾值電壓及其穩定性、開通和關閉能量、導通電阻隨溫度的變化、工作和最大柵極電壓之間的餘量、短路耐受時間、雪崩能量和體二極體的正向壓降及其恢復時間和恢復電荷。
軟性FOM也很重要
上述所提到的FOM可以在器件資料表中看到，並通過實驗室測量進行驗證，但還有其他軟性因素，它們更難量化，但同樣重要。
品質是顯而易見的，不僅是在產品的可靠性和一致性方面，而且在可用性和支持方面。半導體製造商對其供應鏈和製造過程進行嚴格的端對端控制，是實現這一目標的最佳途徑。在這種情況下，安森美決定進行垂直整合，使SiC晶圓的製造和外延層完全在公司內部進行，以便達到150毫米/200毫米的水準。目前，SiC的製造技術是平面的，但未來的趨勢是溝槽。所有常見的封裝方式都得到了支援，從提供裸片到含鉛和不含鉛的離散元件，再到適合高功率應用的IGBT/SiC混合模組和全SiC模組。
品質控制
這些類型的碳化矽晶圓缺陷被篩選出來
2022年5月，安森美推出了世界上第一個用於SiC MOSFET的無引線封裝（TOLL）的新產品。該系列的第一個器件額定電壓為650V，導通電阻為33歐姆。它的尺寸僅為9.9 x 11.68毫米，與D2PAK封裝相比，可節省30%的PCB面積。它的高度為2.3毫米，佔用的體積也減少了60%。TOLL封裝是利用低導通電感（約2 nH）和開爾文源連接的特點，充分利用SiC MOSFET高邊緣速率（high edge-rate）的性能，實現高效率和高功率密度，同時控制EMI並使PCB設計變得簡單的一個例子。
像所有的新技術一樣，SiC也有它的初期問題，特別是晶圓缺陷，但安森美已經實施了世界級的品質控制方法，將其影響降低到可以忽略不計的水準。已發現的缺陷有螺紋錯位（threading screw dislocation，TSD）、螺紋邊緣錯位（ threading edge dislocation，TED）和基底板錯位（ basal plane dislocation，BPD）。
安森美的產品可靠性篩選包括在100%額定電壓和175°C下的測試、內在柵極氧化物可靠性測試、宇宙輻射抗性以及驗證柵極閾值和相關參數的穩定性。這是為了解決SiC技術發展早期對柵極特性隨柵極偏壓和老化而漂移的擔憂。還有對體二極體的正向電壓進行測試，以檢查退化情況。如果說SiC MOSFET與Si-MOSFET相比有什麼缺點的話，那就是體二極體的正向壓降可能會高出幾倍，儘管在恢復情況下速度快得多。因此，對VF的實際值及其一致性的信心很重要。
雪崩測試
所示為安森美 EliteSiC MOSFET M3S 1200V 22mohm的雪崩特性。(來源：安森美)
在生產中，在外延生長前後都要對晶圓進行缺陷掃描，而且還要對裸片進行100%的雪崩測試。這在典型的電感負載應用中是一個重要的考慮因素，如電機驅動，也是SiC和另一類寬頻隙半導體GaN之間的一個區別，GaN沒有雪崩等級。在下面的SiC MOSFET例子中，雪崩能量為267 mJ，基於25°C啟動，L=1 mH，IAS=23.1 A，VDD=100 V和VGS=18 V。比較而言，相同條件下類似等級的Si-MOSFET該數值為264 mJ（onsemi NTHL020N120SC1）。
老化測試也是在較高的環境溫度和最大柵極電壓下進行的，以消除任何外在的柵極氧化物故障。在安森美，符合汽車標準的程序控制也為產品性能和一致性提供了額外的保證。
安森美提供的EliteSiC 產品總共包括額定電壓為650V、1200V和1700V、電流為4至50A的二極體，額定電壓為650V、900V和1200V、電流為17.3A至163A的MOSFET，900V和1200V的模組，有兩組、四組和六組變體，以及為維也納整流器配置的MOSFET部件。還提供半橋和全橋版本，以及帶有集成EliteSiC MOSFET和二極體的模組，用於雙通道和三通道升壓級（boost stages）。為支援其產品，安森美的工程師在工業和汽車應用方面擁有深厚的專業知識，他們在全球各地提供安全的端到端EliteSiC 解決方案。