碳化硅二极管应用

2022/05/30 分类:工程师家园 1421 0

碳化硅肖特基二极管的应用方向！-国晶微半导体

碳化硅（SiC）是一种高性能的半导体材料，基于SiC的肖特基二极管（SiC Schottky Diode）具有更高能效、更高功率密度、更小尺寸和更高的可靠性，可以在电力电子技术领域打破硅的极限，成为新能源及电力电子的首选器件。

碳化硅肖特基二极管的特点

碳化硅的能带间隔为硅的2.8倍（宽禁带），达到3.09电子伏特。其绝缘击穿场强为硅的5.3倍，高达3.2MV/cm，其导热率是硅的3.3倍，为49w/cm·k。它与硅半导体材料一样，可以制成结型器件、场效应器件、和金属与半导体接触的肖特基二极管。它的特点是：

（1）碳化硅单载流子器件漂移区薄，开态电阻小。比硅器件小100-300倍。由于有小的导通电阻，碳化硅功率器件的正向损耗小；

（2）碳化硅功率器件由于具有高的击穿电场而具有高的击穿电压。例如，商用的硅肖特基的电压小于300V，而第一个商用的碳化硅肖特基二极管的击穿电压已达到600V；

（3）碳化硅有较高的热导率；

（4）碳化硅器件可在较高温度下工作，而硅器件的最大工作温度仅为150ºC；

（5）碳化硅具有很高的抗辐照能力；

（6）碳化硅功率器件的正反向特性随温度和时间的变化很小，可靠性好；

（7）碳化硅器件具有很好的反向恢复特性，反向恢复电流小，开关损耗小；

（8）碳化硅器件可减少功率器件体积和降低电路损耗。

应用

碳化硅肖特基二极管可广泛应用于开关电源、功率因素校正（PFC）电路、不间断电源（UPS）、光伏逆变器等中高功率领域，可显著的减少电路的损耗，提高电路的工作频率。

在PFC电路中用碳化硅SBD取代原来的硅FRD，可使电路工作在300kHz以上，效率基本保持不变，而相比下使用硅FRD的电路在100kHz以上的效率急剧下降。随着工作频率的提高，电感等无源原件的体积相应下降，整个电路板的体积下降30%以上。

01 射频混频器和探测二极管应

肖特基二极管具有很高的开关速度和高频性能，这使得它们能够很好地用于射频应用。此外，肖特基二极管具有各种金属-半导体结配置，使得这些半导体器件在功率检测器或混频器电路中有用。

02 功率整流器应用

肖特基二极管是用于功率整流器应用的最佳半导体器件，因为这些器件具有高电流密度和低正向电压降，与普通PN结器件的特性不同。这些优点有助于降低热量水平，减少设计中包含的散热器，并提高电子系统的整体效率。

03 电源或电路应用

肖特基二极管可用于由两个并联电源产生电流的应用中。肖特基二极管的特性使其很好地适用于电力或电路应用，因为它们的低正向电压降。这些二极管的存在还可以防止反向电流从一个电源流入另一个电源。

04 太阳能电池应用

太阳能电池通常与可充电电池相连以储存能量，因为太阳不是一天24小时的能源。SiC肖特基二极管防止电池在夜间通过太阳能电池放电，防止高性能太阳能电池通过低性能太阳能电池放电。

05 箝位二极管应用

肖特基二极管用作快速钳位二极管应用中的开关。在这个应用中，基极结是正向偏置的。使用肖特基二极管，关断时间显著缩短，电路速度提高。

大功率碳化硅二极管的应用

1. 碳化硅材料的特性
长期以来，在制造半导体器件的材料中，硅(Si)材料一直居于统治地位。随着电子科技的不断发展和进步，半导体器件的性能也需要不断提高，硅基器件的性能开始逐渐接近极限。同时，电子器件越来越多的工作在如航天、航空、军事、高温、高压等场合，在这些应用场合中器件需要忍受异常严酷的环境条件，这也使得硅基器件的表现越来越捉襟见肘，表1列出了这些领域中当前和未来对半导体器件工作温度的要求。这些都促使人们将目光转向了性能更佳的宽禁带半导体材料，碳化硅(SIC)就是人们较为熟悉的一种第三代半导体材料，碳化硅是间接带隙半导体，具有很强的化学惰性和坚硬度，具有近两百种不同的结晶结构，其中常见的有3C、4H、6H和15R型。

表1 当前与未来导体器件工作温度的比较

  碳化硅(SIC)具有宽禁带(Si的3倍)、高热导率(Si的3.3倍)、高的临界击穿电场(Si的10倍)、高饱和电子迁移率(Si的2.5倍)以及高健合能等优点，这就使得碳化硅材料可以很好地适用于高性能(高频、高温、高功率、抗辐射)电子器件。高的热导率有利于大功率器件的热耗散和高密度集成高的载流子饱和迁移速率可以使之应用于高速开关器件；高的临界位移能使碳化硅器件的抗辐射性能优于Si器件。
  由于碳化硅材料的带隙很宽(4H型碳化硅在室温下约为3.26eV)，碳化硅器件能够在很高的温度下工作而不至于因为本征载流子激发导致器件性能失效。碳化硅材料在发生雪崩击穿前所能够忍受的极限电场是硅材料和砷化镓(GaAs)的5~20倍12。这一高极限电场可以用来制造高压、大功率器件。

  2. 大功率碳化硅二极管的应用
  大功率碳化硅PIN二极管一直是功率器件研究领域的热点之一。PIN二极管是在P⁺区和n⁺区之间夹一层本征半导体(或低浓度杂质的半导体)构造而成的晶体二极管。PIN中的i是“本征”意义的英文略语，因为不可能存在完全没有杂质的纯净半导体，所以应用中PIN二极管的I层或多或少掺有少量的p型或n型杂质。目前研究的碳化硅PIN二极管主要采用台面(Mesa)结构和平面结构，其剖面结构分别如图1所示：

图1 平面结构与台面结构SIC PIN二极管剖面图

  当PIN二极管工作频率超过100MHz时，由于少数载流子的存贮效应和I层中的渡越时间效应，使二极管失去整流作用而变成了阻抗元件，并且，其阻抗值随偏置电压而改变。在零偏置或直流反向偏置时，I区的阻抗很高；在直流正向偏置时，由于载流子注入I区，而使I区呈现出低阻抗状态。因此，可以把PIN二极管作为可变阻抗元件使用，在微波和射频控制领域，常常需要使用开关器件实现信号的切换，特别是在一些高频信号控制中心，PIN二极管具有优越的射频信号控制能力，同时也被广泛应用于移相、调制、限幅等电路中。
  大功率碳化硅二极管由于其优越的耐压特性，被广泛应用在电力领域中，主要用作大功率整流管。PIN二极管具有很高的反向临界击穿电压V_B，源于中间的低掺杂i层承载了主要的电压降。提高I区的厚度，降低I区的掺杂浓度，能够有效提高PIN二极管的反向击穿电压，但I区的存在会在一定程度上提高整个器件的正向压降V_F以及器件的开关时间，使用碳化硅材料制作的二极管，则可以弥补这些不足。碳化硅10倍于硅的临界击穿电场，使得碳化硅二极管的I区厚度可以减小到硅管的十分之一，同时能保持高的击穿电压，再加上碳化硅材料良好的热导率，不会出现明显的散热问题，因此大功率碳化硅二极管成为现代电力电子领域非常重要的整流器件。
  得益于其具有极小的反向漏电流和高载流子迁移率，碳化硅二极管在光电探测领域有着巨大的吸引力。小的漏电流可以减少探测器的暗电流，降低噪音；高载流子迁移率可以有效提高碳化硅PIN探测器的灵敏度；碳化硅二极管的大功率特性，使PIN探测器可以探测更强的光源，广泛应用在太空领域中。大功率碳化硅二极管因其优异的特性，一直得到人们的重视，其研究也得到了长足的发展。