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揭祕碳化矽(SiC)肖特基二極體背後的祕密

 

  一、矽肖特基二極體的特點

  矽肖特基二極體早已有之。它是一種金屬與半導體矽接觸的肖特基二極體,由於它的這種特殊結構,使其具有如下不同尋常的特性:

        

  矽肖特基二極體比PN接面器件的行為特性更像一個理想的開關。肖特基二極體最重要的兩個效能指標就是它的低反向恢復電荷(Qrr)和它的恢復軟化係數。

  低Qrr在二極體電壓換成反向偏置時,關閉過程所需時間,即反向恢復時間trr大大縮短。下表所列肖特基二極體trr小於0.01微妙。便於用於高頻範圍,有資料介紹其工作頻率可達1MHz(也有報道可達100GHz)。高軟化係數會減少二極體關閉所產生的EMI噪聲,降低換向操作干擾。

  矽肖特基二極體還有一個比PN接面器件優越的指標是正向導通電壓低,具有低的導通損耗。

        

  但矽肖特基二極體也有兩個缺點,一是反向耐壓VR較低,一般只有100V左右;二是反向漏電流IR較大。

  二、碳化矽半導體材料和用它製成的功率器件的特點

  碳化矽SiC的能帶間隔為矽的2.8倍(寬禁帶),達到3.09電子伏特。其絕緣擊穿場強為矽的5.3倍,高達3.2MV/cm.,其導熱率是矽的3.3倍,為49w/cm.k。

  它與矽半導體材料一樣,可以製成結型器件、場效應器件、和金屬與半導體接觸的肖特基二極體。

        

  其優點是:

  (1)碳化矽單載流子器件漂移區薄,開態電阻小。比矽器件小100-300倍。由於有小的導通電阻,碳化矽功率器件的正向損耗小。

  (2)碳化矽功率器件由於具有高的擊穿電場而具有高的擊穿電壓。例如,商用的矽肖特基的電壓小於300V,而第一個商用的碳化矽肖特基二極體的擊穿電壓已達到600V。

  (3)碳化矽有高的熱導率,因此碳化矽功率器件有低的結到環境的熱阻。

        

  (4)碳化矽器件可工作在高溫,碳化矽器件已有工作在600oC的報道,而矽器件的最大工作溫度僅為150oC.

  (5)碳化矽具有很高的抗輻照能力。

  (6)碳化矽功率器件的正反向特性隨溫度和時間的變化很小,可靠性好。

  (7)碳化矽器件具有很好的反向恢復特性,反向恢復電流小,開關損耗小。碳化矽功率器件可工作在高頻(>20KHz)。

  (8)碳化矽器件為減少功率器件體積和降低電路損耗作出了重要貢獻。

          

  碳化矽的不足是:

  碳化矽圓片的價格還較高,其缺陷也多。

  三、碳化矽肖特基二極體的特點

  上面已談到矽肖特基二極體反向耐壓較低,約250V左右。對於能夠耐受500~600V以上反向電壓要求,人們開始使用碳化矽(SiC)製造器件,因為它能夠耐受較高的電壓。

  除此以外的器件引數均相當於或優於矽肖特基二極體。詳見表2。

  由於SiC器件的成本較高(是同類矽器件的3~5倍),除非效能上要求非用不可,還沒有用它來替代矽功率器件。