1. 程式人生 > >淺析Si與SiC肖特基二極體應用對比優勢

淺析Si與SiC肖特基二極體應用對比優勢

 

  肖特基二極體也叫熱載流子二極體,通過金屬和半導體接觸(肖特基接觸)形成肖特基勢壘從而實現整流。相對於普通的PN接面二極體,肖特基二極體的反向恢復“慣性”很低。因此肖特基二極體適合於高頻整流或者需要高速開關的場合。

  肖特基接觸由金屬和N型半導體接觸產生。由於金屬功函式大於半導體功函式,所以直到金屬和半導體的兩個費米麵相等前,電子都會從半導體向金屬運動。因此在半導體側形成了電子的耗盡層,而在金屬側形成了增強層,耗盡層和增強層之間的電場會抑制電子進一步的運動。如果外部電源給肖特基施加正向偏置(金屬側接電源的正極),電流就會從半導體向金屬移動,從而形成正向電流。如果反向偏置,則產生一個依賴溫度的反向漏電流。肖特基和PN接面一樣具有類似的整流特性,但是由於它的導電特性由多數載流子決定,所以沒有電荷儲存效應或者說慣性效應。因此,肖特基二極體是非常適合於那些不適合普通二極體的高頻應用。

       

  然而,肖特基二極體的正向通態損耗與電壓範圍及外延層的厚度密切相關,所以矽基的肖特基二極體並不適用於工作電壓超過200V的場合。它和普通的PIN二極體相比由於缺少P區,所以也無法通過電導調製效應減少導通電阻。儘管普通二極體的“慣性”較大,但是在超過200V的工作電壓場合,普通的PIN二極體占主導地位。

  源於矽基的肖特基二極體,近年來開發出來新的基於碳化矽(SiC)的肖特基二極體用於一些效率很關鍵的電力電子裝置中。與傳統的矽相比,碳化矽具有以下優點:

          

  ·碳化矽的禁頻寬度Eg幾乎是矽的三倍,約為3.26eV,而矽是1.12eV,所以碳化矽具有低得多的反向電流;

  ·碳化矽的臨界擊穿電場強度約是矽的九倍,為2.2MV/cm,而矽是0.25MV/cm。可以進一步地提高碳化矽半導體的摻雜濃度,從而降低它的寬度,而這個寬度是與阻斷電壓呈正比。這就意味著,相對於矽基的二極體,碳化矽二極體的阻抗會明顯降低;

  ·導熱係數在3.0~3.8W/cm·K之間,而矽為1.5W/cm·K。這就意味著相同表面積半導體晶片的熱阻會降低。

  如前文所述,矽基的肖特基二極體並不適用於高於200V的工作電壓場合,但是如果以碳化矽為半導體材料設計的肖特基二極體,由於碳化矽的優點,它的應用範圍可以擴充套件到200V以上場合。對於不同的應用,碳化矽肖特基二極體具有以下優勢:

  ·由等效電容造成的反向恢復電荷很少,所以矽二極體中常常出現反向峰值電流幾乎不再存在;

           

  ·無論負載電流,還是溫度變化,反向電荷產生的電流變化率di/dt低至為零;

  ·工作結溫可高於200℃。

  由於採用碳化矽製造的二極體比矽基二極體貴得多,所以還沒有廣泛應用。據預計在中長期內,矽半導體的價格仍將優於碳化矽半導體,所以至少在中期內,碳化矽半導體主要應用於那些能夠為整個系統帶來成本降低或效能提升的場合。

         

  碳化矽肖特基二極體內部結構如圖1所示。左邊的一幅圖是傳統的碳化矽肖特基二極體。中間的圖是帶PIN結構的MPS二極體的結構,它的特點是在肖特基接觸區增加了一些P型結構。相比於標準的碳化矽肖特基二極體來說,這些結構有利於提高它的浪湧電流的抑制和雪崩電阻率。

  碳化矽肖特基二極體的兩種內部結構和電路符號如圖1所示,在高摻雜N+陰極電極和低摻雜N-外延層之間插入了一個N型摻雜層。這一層叫作電場終止層,主要用器件在阻斷狀態下承受電場。這使得外延層可以做得更薄,在相同的電場強度下可以減低導通損耗。這一技術不僅僅用於肖特基二極體,也用於IGBT和功率PN二極體。