碳化硅肖特基勢壘二極管的特征及與碳二極管的比較

我們從SiC肖特基勢壘二極管的結(jié)構(gòu)開始介紹，如下圖所示，為了形成肖特基勢壘，將半導(dǎo)體SiC與金屬相接合（肖特基結(jié)），結(jié)構(gòu)與Si肖特基勢壘二極管基本相同，其重要特征也是具備高速特性。

而SiC-SBD的特征是其不僅擁有優(yōu)異的高速性還同時實(shí)現(xiàn)了高耐壓。要想提高Si-SBD的耐壓，只要增厚圖中的n-型層、降低載流子濃度即可，但這會帶來阻值上升、VF變高等損耗較大無法實(shí)際應(yīng)用的問題。因此，Si-SBD的耐壓200V已經(jīng)是極限，而SiC擁有超過硅10倍的絕緣擊穿場強(qiáng)，所以不僅能保持實(shí)際應(yīng)用特性且可耐高壓。

SiC-SBD和Si-PN結(jié)二極管

下圖為Si-PN二極管的結(jié)構(gòu)。SBD是僅電子移動，電流流動，而PN結(jié)二極管是通過電子和空穴（孔）使電流流動。通過在n-層積蓄少數(shù)載流子的空穴使阻值下降，從而實(shí)現(xiàn)高耐壓和低阻值，但關(guān)斷的速度會變慢。

盡管FRD（快速恢復(fù)二極管）利用PN結(jié)二極管提高了速度，但trr（反向恢復(fù)時間）特性等劣于SBD。因此，trr損耗是高耐壓Si PN結(jié)二極管的重大研究項(xiàng)目。此時，開關(guān)電源無法對應(yīng)高速的開關(guān)頻率也是課題之一。

上圖表示Si的SBD、PND、FRD和SiC-SBD耐壓的覆蓋范圍。可以看出SiC-SBD基本覆蓋了PND/FRD的耐壓范圍。SiC-SBD可同時實(shí)現(xiàn)高速性和高耐壓，與PND/FRD相比Err（恢復(fù)損耗）顯著降低，開關(guān)頻率也可提高，因此可適用于小型變壓器和電容器，有助于設(shè)備體積小型化。

SiC-SBD與Si-PND的反向恢復(fù)特性比較

反向恢復(fù)特性是二極管，特別是高速型二極管的重要性能參數(shù)，不僅要比較trr的數(shù)值，還要理解其波形和溫度特性，這樣有助于使用二極管。

反向恢復(fù)是指二極管在呈反向偏置狀態(tài)時，無法立即完全關(guān)斷，有時會出現(xiàn)反向電流的現(xiàn)象。trr是其反向電流的流動時間。下面我們來了解其原因和實(shí)際特性。

簡單地說,trr的速度和反向恢復(fù)特性的不同是因?yàn)槎O管構(gòu)造不同，這就需要談到在半導(dǎo)體中移動的電子和空穴。先通過波形圖來了解SiC-SBD和Si-PND反向恢復(fù)特性的不同。

上方波形圖為SiC-SBD和高速PND即Si-FRD反向恢復(fù)時的電流和時間。從波形圖可見紅色的SiC-SBD反向電流少，trr也短。

Si-PND 和SiC-SBD的反向恢復(fù)時間特性

在這里，通過二極管的斷面圖進(jìn)行介紹。下圖為Si-PND的偏置從正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置時電子和空穴的移動。

正向偏置時注入載流子，通過空穴和電子的重新結(jié)合使電流流動。如果是反向偏置的話，n層的空穴（少數(shù)載流子）會花些時間返回p層，到完全返回為止（一部分因?yàn)閴勖В┚须娏髁鲃樱@就是反向恢復(fù)電流。

為將n-層中的大量空穴移到p層，大量電子移到n層，恢復(fù)時間較長，恢復(fù)電荷量也較多。

第2個圖為SiC-SBD轉(zhuǎn)換為反向偏置時的示意圖。因肖特基勢壘結(jié)構(gòu)而不存在PN結(jié)，所以沒有少數(shù)載流子，在反向偏置時n層的多數(shù)載流子(電子)只需要返回，因此只需要很少的反向恢復(fù)時間，其關(guān)斷時間比PND明顯縮短。然而，Si-SBD現(xiàn)狀的耐壓界限是200V左右，在比其更高的電壓下不能使用，而碳化硅二極管可以實(shí)現(xiàn)超過600V的高耐壓性能，這就是SiC-SBD的一大優(yōu)點(diǎn)。

下面是反向恢復(fù)特性的溫度依賴性和電流依賴性相關(guān)數(shù)據(jù)。

上段的波形圖表示不同溫度的不同反向恢復(fù)特性。Si-FRD的溫度上升時載流子濃度也隨之上升，因此需要相應(yīng)的反向恢復(fù)時間。隨著室溫的增高，反向電流和trr也會變大。而SiC-SBD因?yàn)镾iC本身基本上沒有溫度依賴性，反向電流特性基本沒有變化。將trr的差制作了右上的圖表，通過對兩種Si-FRD的比較，發(fā)現(xiàn)SiC-SBD的trr基本上不存在溫度依賴性。

下段的波形圖表示與正向偏置時的正向電流IF的關(guān)系。由波形圖可觀察到SiC-SBD幾乎不受影響。

最后，雖然前面表述為SiC–SBD幾乎沒有反向電流，在波形圖里可明顯看出SiC-SBD比Si-FRD少很多，但也不是一點(diǎn)沒有。這是因?yàn)槎O管中寄生的結(jié)電容帶來的影響。因此，SiC-SBD與Si-PND相比，反向電流并不是零，而是明顯減少。