Si與SiC肖特基二極管應(yīng)用對(duì)比優(yōu)勢(shì)
發(fā)布日期：
2019-01-04 瀏覽次數(shù)： 1,456
肖特基二極管也叫熱載流子二極管，通過金屬和半導(dǎo)體接觸(肖特基接觸)形成肖特基勢(shì)壘從而實(shí)現(xiàn)整流。相對(duì)于普通的PN結(jié)二極管，肖特基二極管的反向恢復(fù)“慣性”很低。因此肖特基二極管適合于高頻整流或者需要高速開關(guān)的場(chǎng)合。
肖特基接觸由金屬和N型半導(dǎo)體接觸產(chǎn)生。由于金屬功函數(shù)大于半導(dǎo)體功函數(shù)，所以直到金屬和半導(dǎo)體的兩個(gè)費(fèi)米面相等前，電子都會(huì)從半導(dǎo)體向金屬運(yùn)動(dòng)。因此在半導(dǎo)體側(cè)形成了電子的耗盡層，而在金屬側(cè)形成了增強(qiáng)層，耗盡層和增強(qiáng)層之間的電場(chǎng)會(huì)抑制電子進(jìn)一步的運(yùn)動(dòng)。如果外部電源給肖特基施加正向偏置(金屬側(cè)接電源的正極)，電流就會(huì)從半導(dǎo)體向金屬移動(dòng)，從而形成正向電流。如果反向偏置，則產(chǎn)生一個(gè)依賴溫度的反向漏電流。肖特基和PN結(jié)一樣具有類似的整流特性，但是由于它的導(dǎo)電特性由多數(shù)載流子決定，所以沒有電荷存儲(chǔ)效應(yīng)或者說慣性效應(yīng)。因此，肖特基二極管是非常適合于那些不適合普通二極管的高頻應(yīng)用。
然而，肖特基二極管的正向通態(tài)損耗與電壓范圍及外延層的厚度密切相關(guān)，所以硅基的肖特基二極管并不適用于工作電壓超過200V的場(chǎng)合。它和普通的PIN二極管相比由于缺少P區(qū)，所以也無法通過電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)減少導(dǎo)通電阻。盡管普通二極管的“慣性”較大，但是在超過200V的工作電壓場(chǎng)合，普通的PIN二極管占主導(dǎo)地位。
源于硅基的肖特基二極管，近年來開發(fā)出來新的基于碳化硅(SiC)的肖特基二極管用于一些效率很關(guān)鍵的電力電子設(shè)備中。與傳統(tǒng)的硅相比，碳化硅具有以下優(yōu)點(diǎn)：
·碳化硅的禁帶寬度Eg幾乎是硅的三倍，約為3.26eV，而硅是1.12eV，所以碳化硅具有低得多的反向電流；
·碳化硅的臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度約是硅的九倍，為2.2MV/cm，而硅是0.25MV/cm?？梢赃M(jìn)一步地提高碳化硅半導(dǎo)體的摻雜濃度，從而降低它的寬度，而這個(gè)寬度是與阻斷電壓呈正比。這就意味著，相對(duì)于硅基的二極管，碳化硅二極管的阻抗會(huì)明顯降低；
·導(dǎo)熱系數(shù)在3.0~3.8W/cm·K之間，而硅為1.5W/cm·K。這就意味著相同表面積半導(dǎo)體芯片的熱阻會(huì)降低。
如前文所述，硅基的肖特基二極管并不適用于高于200V的工作電壓場(chǎng)合，但是如果以碳化硅為半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)的肖特基二極管，由于碳化硅的優(yōu)點(diǎn)，它的應(yīng)用范圍可以擴(kuò)展到200V以上場(chǎng)合。對(duì)于不同的應(yīng)用，碳化硅肖特基二極管具有以下優(yōu)勢(shì)：
·由等效電容造成的反向恢復(fù)電荷很少，所以硅二極管中常常出現(xiàn)反向峰值電流幾乎不再存在；
·無論負(fù)載電流，還是溫度變化，反向電荷產(chǎn)生的電流變化率di/dt低至為零；
·工作結(jié)溫可高于200℃。
由于采用碳化硅制造的二極管比硅基二極管貴得多，所以還沒有廣泛應(yīng)用。據(jù)預(yù)計(jì)在中長期內(nèi)，硅半導(dǎo)體的價(jià)格仍將優(yōu)于碳化硅半導(dǎo)體，所以至少在中期內(nèi)，碳化硅半導(dǎo)體主要應(yīng)用于那些能夠?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)帶來成本降低或性能提升的場(chǎng)合。
碳化硅肖特基二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。左邊的一幅圖是傳統(tǒng)的碳化硅肖特基二極管。中間的圖是帶PIN結(jié)構(gòu)的MPS二極管的結(jié)構(gòu)，它的特點(diǎn)是在肖特基接觸區(qū)增加了一些P型結(jié)構(gòu)。相比于標(biāo)準(zhǔn)的碳化硅肖特基二極管來說，這些結(jié)構(gòu)有利于提高它的浪涌電流的抑制和雪崩電阻率。
碳化硅肖特基二極管的兩種內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)如圖1所示，在高摻雜N+陰極電極和低摻雜N-外延層之間插入了一個(gè)N型摻雜層。這一層叫作電場(chǎng)終止層，主要用器件在阻斷狀態(tài)下承受電場(chǎng)。這使得外延層可以做得更薄，在相同的電場(chǎng)強(qiáng)度下可以減低導(dǎo)通損耗。這一技術(shù)不僅僅用于肖特基二極管，也用于IGBT和功率PN二極管。
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