浅析Si与SiC肖特基二极管应用对比优势

Posted 2021-01-31 lishenxin

　

　　肖特基二极管也叫热载流子二极管，通过金属和半导体接触(肖特基接触)形成肖特基势垒从而实现整流。相对于普通的PN结二极管，肖特基二极管的反向恢复“惯性”很低。因此肖特基二极管适合于高频整流或者需要高速开关的场合。

       

　　肖特基接触由金属和N型半导体接触产生。由于金属功函数大于半导体功函数，所以直到金属和半导体的两个费米面相等前，电子都会从半导体向金属运动。因此在半导体侧形成了电子的耗尽层，而在金属侧形成了增强层，耗尽层和增强层之间的电场会抑制电子进一步的运动。如果外部电源给肖特基施加正向偏置(金属侧接电源的正极)，电流就会从半导体向金属移动，从而形成正向电流。如果反向偏置，则产生一个依赖温度的反向漏电流。肖特基和PN结一样具有类似的整流特性，但是由于它的导电特性由多数载流子决定，所以没有电荷存储效应或者说惯性效应。因此，肖特基二极管是非常适合于那些不适合普通二极管的高频应用。

        

　　然而，肖特基二极管的正向通态损耗与电压范围及外延层的厚度密切相关，所以硅基的肖特基二极管并不适用于工作电压超过200V的场合。它和普通的PIN二极管相比由于缺少P区，所以也无法通过电导调制效应减少导通电阻。尽管普通二极管的“惯性”较大，但是在超过200V的工作电压场合，普通的PIN二极管占主导地位。

　　源于硅基的肖特基二极管，近年来开发出来新的基于碳化硅(SiC)的肖特基二极管用于一些效率很关键的电力电子设备中。与传统的硅相比，碳化硅具有以下优点：

        

　　·碳化硅的禁带宽度Eg几乎是硅的三倍，约为3.26eV，而硅是1.12eV，所以碳化硅具有低得多的反向电流；

　　·碳化硅的临界击穿电场强度约是硅的九倍，为2.2MV/cm，而硅是0.25MV/cm。可以进一步地提高碳化硅半导体的掺杂浓度，从而降低它的宽度，而这个宽度是与阻断电压呈正比。这就意味着，相对于硅基的二极管，碳化硅二极管的阻抗会明显降低；

　　·导热系数在3.0~3.8W/cm·K之间，而硅为1.5W/cm·K。这就意味着相同表面积半导体芯片的热阻会降低。

　　如前文所述，硅基的肖特基二极管并不适用于高于200V的工作电压场合，但是如果以碳化硅为半导体材料设计的肖特基二极管，由于碳化硅的优点，它的应用范围可以扩展到200V以上场合。对于不同的应用，碳化硅肖特基二极管具有以下优势：

　　·由等效电容造成的反向恢复电荷很少，所以硅二极管中常常出现反向峰值电流几乎不再存在；

         

　　·无论负载电流，还是温度变化，反向电荷产生的电流变化率di/dt低至为零；

　　·工作结温可高于200℃。

　　由于采用碳化硅制造的二极管比硅基二极管贵得多，所以还没有广泛应用。据预计在中长期内，硅半导体的价格仍将优于碳化硅半导体，所以至少在中期内，碳化硅半导体主要应用于那些能够为整个系统带来成本降低或性能提升的场合。

        

　　碳化硅肖特基二极管内部结构如图1所示。左边的一幅图是传统的碳化硅肖特基二极管。中间的图是带PIN结构的MPS二极管的结构，它的特点是在肖特基接触区增加了一些P型结构。相比于标准的碳化硅肖特基二极管来说，这些结构有利于提高它的浪涌电流的抑制和雪崩电阻率。

　　碳化硅肖特基二极管的两种内部结构和电路符号如图1所示，在高掺杂N+阴极电极和低掺杂N-外延层之间插入了一个N型掺杂层。这一层叫作电场终止层，主要用器件在阻断状态下承受电场。这使得外延层可以做得更薄，在相同的电场强度下可以减低导通损耗。这一技术不仅仅用于肖特基二极管，也用于IGBT和功率PN二极管。