SiC碳化硅功率器件SBD特性

[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 JBS（Junction 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 是 VF－IF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 是 SiC SBD 和 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。

在 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（JBS：Junction 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。