碳化硅肖特基势垒二极管的特征及与碳二极管的比较
发布时间:2022-07-01
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我们从SiC肖特基势垒二极管的结构开始介绍,如下图所示,为了形成肖特基势垒,将半导体SiC与金属相接合(肖特基结),结构与Si肖特基势垒二极管基本相同,其重要特征也是具备高速特性。

而SiC-SBD的特征是其不仅拥有优异的高速性还同时实现了高耐压。要想提高Si-SBD的耐压,只要增厚图中的n-型层、降低载流子浓度即可,但这会带来阻值上升、VF变高等损耗较大无法实际应用的问题。因此,Si-SBD的耐压200V已经是极限,而SiC拥有超过硅10倍的绝缘击穿场强,所以不仅能保持实际应用特性且可耐高压。



SiC-SBD和Si-PN结二极管

下图为Si-PN二极管的结构。SBD是仅电子移动,电流流动,而PN结二极管是通过电子和空穴(孔)使电流流动。通过在n-层积蓄少数载流子的空穴使阻值下降,从而实现高耐压和低阻值,但关断的速度会变慢。

尽管FRD(快速恢复二极管)利用PN结二极管提高了速度,但trr(反向恢复时间)特性等劣于SBD。因此,trr损耗是高耐压Si PN结二极管的重大研究项目。此时,开关电源无法对应高速的开关频率也是课题之一。



上图表示Si的SBD、PND、FRD和SiC-SBD耐压的覆盖范围。可以看出SiC-SBD基本覆盖了PND/FRD的耐压范围。SiC-SBD可同时实现高速性和高耐压,与PND/FRD相比Err(恢复损耗)显著降低,开关频率也可提高,因此可适用于小型变压器和电容器,有助于设备体积小型化。


  SiC-SBD与Si-PND的反向恢复特性比较  

反向恢复特性是二极管,特别是高速型二极管的重要性能参数,不仅要比较trr的数值,还要理解其波形和温度特性,这样有助于使用二极管。

反向恢复是指二极管在呈反向偏置状态时,无法立即完全关断,有时会出现反向电流的现象。trr是其反向电流的流动时间。下面我们来了解其原因和实际特性。

简单地说,trr的速度和反向恢复特性的不同是因为二极管构造不同,这就需要谈到在半导体中移动的电子和空穴。先通过波形图来了解SiC-SBD和Si-PND反向恢复特性的不同。



上方波形图为SiC-SBD和高速PND即Si-FRD反向恢复时的电流和时间。从波形图可见红色的SiC-SBD反向电流少,trr也短。


Si-PND 和SiC-SBD的反向恢复时间特性

在这里,通过二极管的断面图进行介绍。下图为Si-PND的偏置从正向偏置转换为反向偏置时电子和空穴的移动。

正向偏置时注入载流子,通过空穴和电子的重新结合使电流流动。如果是反向偏置的话,n层的空穴(少数载流子)会花些时间返回p层,到完全返回为止(一部分因为寿命而消失)均有电流流动,这就是反向恢复电流。



为将n-层中的大量空穴移到p层,大量电子移到n层,恢复时间较长,恢复电荷量也较多。



第2个图为SiC-SBD转换为反向偏置时的示意图。因肖特基势垒结构而不存在PN结,所以没有少数载流子,在反向偏置时n层的多数载流子(电子)只需要返回,因此只需要很少的反向恢复时间,其关断时间比PND明显缩短。然而,Si-SBD现状的耐压界限是200V左右,在比其更高的电压下不能使用,而碳化硅二极管可以实现超过600V的高耐压性能,这就是SiC-SBD的一大优点。

下面是反向恢复特性的温度依赖性和电流依赖性相关数据。



上段的波形图表示不同温度的不同反向恢复特性。Si-FRD的温度上升时载流子浓度也随之上升,因此需要相应的反向恢复时间。随着室温的增高,反向电流和trr也会变大。而SiC-SBD因为SiC本身基本上没有温度依赖性,反向电流特性基本没有变化。将trr的差制作了右上的图表,通过对两种Si-FRD的比较,发现SiC-SBD的trr基本上不存在温度依赖性。

下段的波形图表示与正向偏置时的正向电流IF的关系。由波形图可观察到SiC-SBD几乎不受影响。

最后,虽然前面表述为SiC–SBD几乎没有反向电流,在波形图里可明显看出SiC-SBD比Si-FRD少很多,但也不是一点没有。这是因为二极管中寄生的结电容带来的影响。因此,SiC-SBD与Si-PND相比,反向电流并不是零,而是明显减少。


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