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二極管
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    Si與SiC肖特基二極管應用對比優(yōu)勢
  • Si與SiC肖特基二極管應用對比優(yōu)勢
  •   發(fā)布日期: 2019-01-04  瀏覽次數: 1,757
    肖特基二極管也叫熱載流子二極管,通過金屬和半導體接觸(肖特基接觸)形成肖特基勢壘從而實現整流。相對于普通的PN結二極管,肖特基二極管的反向恢復“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的場合。

     
     






      肖特基接觸由金屬和N型半導體接觸產生。由于金屬功函數大于半導體功函數,所以直到金屬和半導體的兩個費米面相等前,電子都會從半導體向金屬運動。因此在半導體側形成了電子的耗盡層,而在金屬側形成了增強層,耗盡層和增強層之間的電場會抑制電子進一步的運動。如果外部電源給肖特基施加正向偏置(金屬側接電源的正極),電流就會從半導體向金屬移動,從而形成正向電流。如果反向偏置,則產生一個依賴溫度的反向漏電流。肖特基和PN結一樣具有類似的整流特性,但是由于它的導電特性由多數載流子決定,所以沒有電荷存儲效應或者說慣性效應。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,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調制效應減少導通電阻。盡管普通二極管的“慣性”較大,但是在超過200V的工作電壓場合,普通的PIN二極管占主導地位。





      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鍵的電力電子設備中。與傳統(tǒng)的硅相比,碳化硅具有以下優(yōu)點:


     
     






      ·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強度約是硅的九倍,為2.2MV/cm,而硅是0.25MV/cm。可以進一步地提高碳化硅半導體的摻雜濃度,從而降低它的寬度,而這個寬度是與阻斷電壓呈正比。這就意味著,相對于硅基的二極管,碳化硅二極管的阻抗會明顯降低;


     
     






      ·導熱系數在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體芯片的熱阻會降低。





      如前文所述,硅基的肖特基二極管并不適用于高于200V的工作電壓場合,但是如果以碳化硅為半導體材料設計的肖特基二極管,由于碳化硅的優(yōu)點,它的應用范圍可以擴展到200V以上場合。對于不同的應用,碳化硅肖特基二極管具有以下優(yōu)勢:
     






      ·由等效電容造成的反向恢復電荷很少,所以硅二極管中常常出現反向峰值電流幾乎不再存在;





      ·無論負載電流,還是溫度變化,反向電荷產生的電流變化率di/dt低至為零;





      ·工作結溫可高于200℃。





      由于采用碳化硅制造的二極管比硅基二極管貴得多,所以還沒有廣泛應用。據預計在中長期內,硅半導體的價格仍將優(yōu)于碳化硅半導體,所以至少在中期內,碳化硅半導體主要應用于那些能夠為整個系統(tǒng)帶來成本降低或性能提升的場合。





      碳化硅肖特基二極管內部結構如圖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結構的MPS二極管的結構,它的特點是在肖特基接觸區(qū)增加了一些P型結構。相比于標準的碳化硅肖特基二極管來說,這些結構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部結構和電路符號如圖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N型摻雜層。這一層叫作電場終止層,主要用器件在阻斷狀態(tài)下承受電場。這使得外延層可以做得更薄,在相同的電場強度下可以減低導通損耗。這一技術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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