碳化硅(SiC)功率器件在高压和高温应用中展现出卓越的效率与性能，而传统硅基器件在这些领域则面临物理极限。
在各类SiC器件中，肖特基势垒二极管(SBD)被公认为最早问世的SiC功率器件，相关研究可追溯至1974年¹。SBD很快便实现了广泛的商业化应用，尤其在电动汽车牵引逆变器和可再生能源装置等电源转换系统中。
SiC肖特基势垒物理原理
与依赖P型和N型半导体结的PN结二极管不同，SBD通过金属-半导体接触形成整流势垒。当金属触点与轻掺杂的N型半导体接触时，会形成一个耗尽区及相应的势垒。势垒高度(对于SiC肖特基二极管通常为0.8至1.2eV)决定了器件的诸多电学特性。
与电子和空穴均参与导电的PN结二极管不同，肖特基二极管(图1)是一种多数载流子(单极型)器件，几乎没有少数载流子注入。这消除了存储电荷效应，使其开关速度远超PN结二极管。
图1：SBD的基本结构。
SiC的禁带宽度约为3.25eV，远大于硅(Si)的1.1eV，这使得在相同漂移区厚度下，SiC的击穿电压显著更高。SiC的临界电场强度超过2MV/cm，约为硅的十倍2。这意味着，SiC器件仅需十分之一厚度的漂移区即可达到与同等硅器件相同的击穿电压，从而大幅降低导通电阻。
SiC兼具肖特基二极管固有的快速开关特性与优异的材料特性，可开发出同时具备低导通损耗和极低开关损耗的器件。
SiC的另一大优势在于其卓越的热管理性能，其热导率约为硅的三倍(4.2W/cm·K对比1.48W/cm·K)2。此外，SiC的宽禁带使其能够在超过175℃的结温下工作。这些优异的热性能降低了对冷却系统的要求，并提升了在关键和高要求应用中的可靠性。
当施加外部电压时，N型SiC漂移区的电子会越过肖特基势垒流入金属阳极。由于没有少数载流子(空穴)注入，结区内不会产生电荷存储。
耗尽区从金属-半导体界面延伸至SiC漂移层。得益于较高的临界击穿场强，在相同击穿电压下，SiC的该漂移层可以比硅的更薄，且掺杂浓度更高。
与传统硅SBD相比的优势
硅基SBD虽能实现极快的响应速度，但受限于漏电流和较低的击穿强度，其工作电压通常低于200V。
相比之下，SiC SBD具有以下优势：
- 高电压额定值：Si SBD仅适用于低电压场景，而SiC SBD的商用产品电压额定值可达数千伏。
- 导热性：SiC的高热导率使其散热性能更佳，散热器尺寸也更小。
- 温度稳定性：SiC SBD可在高达175℃的结温Tj下工作(理论上可更高)，而不会像硅基器件那样出现漏电流激增的情况。
- 正温度系数：SiC SBD的正向压降(VF)随温度升高而升高。换言之，在相同VF下，结温升高会导致正向电流减小。这使得并联操作变得安全便捷，因为温度较高的二极管会自然地将电流“推”向温度较低的二极管，从而防止热失控。4
MPS和JBS架构
传统的SiC SBD虽然开关速度快、反向恢复电流低，但在高电压和高温下工作时，通常存在反向漏电流大和浪涌电流承受能力有限的问题。
为解决这些局限，业界提出了合并式PiN肖特基(MPS)和结势垒肖特基(JBS)架构，通过在N型漂移层中引入P型区域(P+注入)来实现。该设计在肖特基接触上形成了额外的PN结。
在正向偏置下，电流主要流经低势垒的肖特基区域，从而保持较低的VF和快速开关。然而，在反向偏置或大电流浪涌期间，PN结会阻断电流泄漏路径，从而降低反向漏电流并增强抗浪涌电流能力。
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