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[导读]碳化硅和氮化镓是目前商业前景最明朗的半导体材料,堪称半导体产业内新一代“黄金赛道”。 历史上人类第一次发现碳化硅是在1891年,美国人艾奇逊在电溶金刚石的时候发现一种碳的化合物,这就是碳化硅首次合成和发现。在经历了百年的探索之后,特别是进入21世纪以后,人类终于理清了碳化硅的优点和特性,并利用碳化硅特性,做出各种新器件,碳化硅行业得到较快发展。

碳化硅和氮化镓是目前商业前景最明朗的半导体材料,堪称半导体产业内新一代黄金赛道

历史上人类第一次发现碳化硅是在1891年,美国人艾奇逊在电溶金刚石的时候发现一种碳的化合物,这就是碳化硅首次合成和发现。在经历了百年的探索之后,特别是进入21世纪以后,人类终于理清了碳化硅的优点和特性,并利用碳化硅特性,做出各种新器件,碳化硅行业得到较快发展。

相比传统的硅材料,碳化硅的禁带宽度是硅的3倍;导热率为硅的4-5倍;击穿电压为硅的8倍;电子饱和漂移速率为硅的2倍。种种特性意味着碳化硅特别适于制造耐高温、耐高压,耐大电流的高频大功率的器件。


SiC SBD 的特征

SiC 能够以具有快速器件结构特征的肖特基势垒二极管(SBD)结构,制作出 1200V 以上的高耐压二极管(Si SBD 的最高耐压 为 200V 左右)。 因此,通过将现在主流使用的快速 PN 结二极管(FRD:快速恢复二极管)替换为 SiC SBD,能够大幅减小反 向恢复损耗。有助于实现电源的高效化,并且通过高频驱动实现电感等被动器件的小型化,同时降低噪声水平。以功率因数校正 电路(PFC 电路)和二次侧整流电路为中心,目前广泛应用于电动汽车充电器、光伏发电系统中的功率调节器、服务器电源、空调等多个领域。

目前,ROHM SiC SBD 的主要产品线包括 650V、1200V、1700V 耐压的产品。

 

SiC SBD 的正向特性


SiC SBD 的开启电压与 Si FRD 为同等水平,都小于 1V。开启电压是由肖特基势垒的势垒高度所决定的,一般来说当势垒高度设计得较低时,开启电压也可以低一些,但是另一方面,反向偏置时的漏电流会增大,二者存在上述折衷关系。ROHM 的第二代 SBD,通过改善制造工艺,成功地使得漏电流和反向恢复性能既可以与旧产品保持在相同水平,同时开启电压也降低了大约 0.15V。另外,第三代 SBD 通过将 JBSJunction Barrier Schottky)结构与第二代 SBD 的低 VF工艺相结合,实现了更低的 VF、更 小的漏电流。特别是高温时的 VF得到了大幅减小。

SiC SBD 的温度依存性与 Si FRD 不同,当温度升高时,随着工作电阻的增加,VF值会变大,不易发生热失控,因此可以放心地 进行并联使用。图 2-2 VFIF特性的典型数据。

 

SiC SBD 的反向恢复特性


Si 的快速 PN 结二极管(FRD:快速恢复二极管)在从正向偏置切换到反向偏置的瞬间,会产生极大的瞬态电流,在此期间因 为要过渡到反向偏置状态,会产生很大的损耗。其原因是正向偏置时积聚在漂移层内的少数载流子,在湮灭之前(积聚时间内) 会形成电传导。正向电流越大,或者温度越高,则反向恢复时间越长、反向恢复电流越大,从而损耗也就越大。

另一方面,SiC SBD 是在进行电传导时不使用少数载流子的多数载流子器件(单极性器件),因此从原理上来说,不会发生少数 载流子的积聚现象。反向恢复时只会流过结电容放电程度的较小电流,因此与 Si FRD 相比可以大幅减小损耗。该瞬态电流几乎不 受温度和正向电流的影响,因此无论在何种环境条件下,都可以实现稳定快速的反向恢复过程。另外,还预期可以减小由反向恢 复电流引起的噪声。 图 2-3 SiC SBD Si FRD 反向恢复特性的测试结果。可以看出无论使用温度和正向电流如何改变,SiC 的反向恢复电流都 得到了大幅减小。

 

SiC SBD 的正向浪涌特性


第二代 SBD 是纯肖特基(Pure Schottky)结构,采用的是仅仅在漂移层上附加肖特基金属的简单结构。但是,在高温下漂移层 的电阻会增加,因此与 Si FRD 相比,当流过正向浪涌电流时,出于自发热对电流进行限制的尖峰浪涌电流 IFSM 有变低的倾向。

PFC 电路中,当不使用旁路二极管时,电路起动时所产生的浪涌电流可能导致 SBD 发生故障。

因此,第三代 SBD 通过采用结势垒肖特基(JBSJunction Barrier Schottky)结构,将 IFSM 特性提高为了第二代产品的 2 倍左 右。JBS 结构在肖特基界面上制作了细小的 PN 结二极管,当流过大电流时通过 PN 结注入空穴,可以抑制漂移层电阻的增大,对 浪涌电流有较高的耐性,因此对于没有旁路二极管的 PFC 电路也可以使用。

2-4 是第二代和第三代 SiC SBD 的结构区别,表 2-1 是典型电气特性的对比数据。

 

 




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