碳化硅MOS体二极管形成机理：双极退化失效的晶体管结构根源

碳化硅（SiC）MOSFET中的寄生二极管，通常被称为“体二极管”（Body Diode），是器件结构自然形成的，并非人为刻意设计。它的存在与MOSFET的物理结构密切相关。以下从结构、原理和应用三个方面详细解释：

1、结构方面

众所周知，碳化硅MOSFET的结构类似于三明治，由不同掺杂类型的半导体层堆叠而成。以常见的N沟道MOSFET为例，具体分层如下（从上到下）：

源极（Source）：N⁺型掺杂（高浓度电子，掺杂浓度约），用于提供低电阻的电子输出路径。

P型体区（Body）：掺杂浓度约，空穴为主，包裹在源极下方，与源极通过金属短接（源极与体区在内部直接连接）。

N⁻漂移区（Drift Layer）：轻掺杂的N型层（掺杂浓度约），用于承受高压（如1200V），其厚度和掺杂浓度决定了器件的击穿电压。

漏极（Drain）：N⁺型掺杂，与漂移区接触，作为电流输出的另一端。

寄生二极管形成的物理过程

PN结的形成：P型体区与N⁻漂移区直接接触，形成了一个PN结二极管（即体二极管）。

关键点：由于源极与P型体区短接，当漏极（N⁻区）电压低于源极时，PN结处于正向偏置状态，二极管导通；反之则截止。

栅极的作用：栅极（Gate）位于P型体区上方，通过氧化层（如SiO₂）隔离。当栅极施加正电压时，会在P型体区表面形成N型沟道（反型层），允许电子从源极流向漏极。

为何必须存在P型体区：P型体区是形成MOSFET沟道的关键，但也导致了寄生二极管的必然存在。

2、工作原理：寄生二极管的导通与截止

正向导通（V_DS < 0）：偏置条件：当漏极电压（V_DVD）低于源极电压（V_SVS）时，PN结正偏；载流子运动：空穴从P型体区扩散到N⁻漂移区，电子从N⁻区扩散到P区。形成扩散电流（类似普通二极管的正向导通）；导通压降（V_FVF）：SiC体二极管的导通压降较高（约3V），因为碳化硅的宽禁带（3.26eV，硅为1.12eV）导致载流子跨越PN结需要更高的电压。

反向阻断（V_DS > 0）：偏置条件：当漏极电压高于源极时，PN结反偏；耗尽层扩展：PN结处形成耗尽区（无自由载流子），阻止电流通过二极管；反向漏电流：由于SiC的高击穿场强（约3 MV/cm，硅为0.3 MV/cm），反向漏电流极小，可忽略不计。

与MOSFET沟道导通的对比：正常导通模式：当栅极电压（VGS）高于阈值时，电子通过N沟道从源极流向漏极，此时二极管不参与导电。体二极管仅在MOSFET关闭且V_DS < 0时导通。

3、碳化硅的特殊性：

碳化硅材料的特性（如宽禁带、高击穿场强）导致其寄生二极管的行为与硅基MOSFET不同：

宽禁带（Wide Bandgap）：a）导通压升高：SiC的宽禁带使得电子从价带跃迁到导带需要更高能量，导致正向压降显著高于硅器件。b）耐高温性：宽禁带还使SiC器件可在200°C以上工作（硅器件通常限制在150°C）。

高击穿场强：a）反向恢复特性：SiC体二极管在反向恢复时，耗尽区能快速清除载流子，反向恢复电荷（Qrr）极低（仅为硅的1/10），几乎无反向恢复损耗。b）高频优势：适合100 kHz以上的高频开关（如电动汽车OBC充电机）。

SiC体二极管的局限性：

高导通损耗：3V的导通压降在续流时会产生显著损耗（Ploss=VF×I）。

解决方案：在需要频繁续流的场景中，可并联外部SiC肖特基二极管（压降约1.5V），但会增加成本和体积。

4、实际应用中的角色与挑战

续流作用的典型案例

H桥逆变电路：当上管MOSFET关闭时，电机电感电流需通过下管的体二极管续流。若未利用体二极管，电感电流会被强行关断，导致电压尖峰（可能损坏器件）。

潜在问题与优化策略

1、硬开关中的损耗：在硬开关过程中（如Buck电路），体二极管可能在死区时间内导通，产生导通损耗。

2、优化死区时间：缩短死区时间可减少体二极管的导通时间，但需避免上下管直通。

3、同步整流技术：在同步Buck电路中，通过主动开启下管MOSFET（而非依赖体二极管续流），可将续流压降从3V降至MOSFET的导通电阻损耗（如0.1V）。

为何不能去掉寄生二极管？

根本原因就是P型体区是MOSFET沟道形成的基础，因此寄生二极管是器件结构的必然产物。由P型体区与N型漂移区的PN结形成。它的高导通压降和优异反向恢复特性，既是挑战也是优势。若想消除它，需要彻底改变MOSFET的设计（例如改用JFET或IGBT结构），但这会牺牲SiC MOSFET的高频、高效优势。所以在电路设计中，需通过拓扑优化（如同步整流）和参数调整（如死区时间）扬长避短，充分发挥SiC器件的高效、高频潜力。

SiC MOSFET在效率、频率和易用性上综合优势明显，因此寄生二极管成为必须接受的特性。

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