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干貨分享｜SiC產(chǎn)品和Si產(chǎn)品的兩點(diǎn)比較

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  SiC肖特基勢(shì)壘二極管的特征，及與Si二極管的比較  

我們從SiC肖特基勢(shì)壘二極管（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“SBD”）的結(jié)構(gòu)開(kāi)始介紹。如下圖所示，為了形成肖特基勢(shì)壘，將半導(dǎo)體SiC與金屬相接合（肖特基結(jié)）。結(jié)構(gòu)與Si肖特基勢(shì)壘二極管基本相同，其重要特征也是具備高速特性。

而SiC-SBD的特征是其不僅擁有優(yōu)異的高速性還同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高耐壓。要想提高Si-SBD的耐壓，只要增厚圖中的n-型層、降低載流子濃度即可，但這會(huì)帶來(lái)阻值上升、VF變高等損耗較大無(wú)法實(shí)際應(yīng)用的問(wèn)題。因此，Si-SBD的耐壓200V已經(jīng)是極限。而SiC擁有超過(guò)硅10倍的絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng),所以不僅能保持實(shí)際應(yīng)用特性且可耐高壓。

SiC-SBD和Si-PN結(jié)二極管

通過(guò)Si二極管來(lái)應(yīng)對(duì)SBD以上的耐壓的是PN結(jié)二極管（稱(chēng)為“PND”）。下圖為Si-PN二極管的結(jié)構(gòu)。SBD是僅電子移動(dòng)，電流流動(dòng)，而PN結(jié)二極管是通過(guò)電子和空穴（孔）使電流流動(dòng)。通過(guò)在n-層積蓄少數(shù)載流子的空穴使阻值下降，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)高耐壓和低阻值，但關(guān)斷的速度會(huì)變慢。

盡管FRD（快速恢復(fù)二極管）利用PN結(jié)二極管提高了速度，但盡管如此，trr（反向恢復(fù)時(shí)間）特性等劣于SBD。因此，trr損耗是高耐壓Si PN結(jié)二極管的重大研究項(xiàng)目。此時(shí)，開(kāi)關(guān)電源無(wú)法對(duì)應(yīng)高速的開(kāi)關(guān)頻率也是課題之一。

右上圖表示Si的SBD、PND、FRD和SiC-SBD耐壓的覆蓋范圍?？梢钥闯鯯iC-SBD基本覆蓋了PND/FRD的耐壓范圍。SiC-SBD可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速性和高耐壓，與PND/FRD相比Err（恢復(fù)損耗）顯著降低，開(kāi)關(guān)頻率也可提高，因此可使用小型變壓器和電容器，有助于設(shè)備小型化。

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  SiC-SBD與Si-PND的反向恢復(fù)特性比較  

反向恢復(fù)特性是二極管、特別是高速型二極管的基本且重要的參數(shù)，所以不僅要比較trr的數(shù)值，還要理解其波形和溫度特性，這樣有助于有效使用二極管。

首先，反向恢復(fù)或恢復(fù)是指二極管在呈反向偏置狀態(tài)時(shí)，無(wú)法立即完全關(guān)斷，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)反向電流的現(xiàn)象。trr是其反向電流的流動(dòng)時(shí)間。下面我們來(lái)了解其原因和實(shí)際特性。

簡(jiǎn)單地說(shuō),trr的速度和反向恢復(fù)特性的不同是因?yàn)槎O管構(gòu)造不同。這就需要談到在半導(dǎo)體中移動(dòng)的電子和空穴。先通過(guò)波形圖來(lái)了解SiC-SBD和Si-PND反向恢復(fù)特性的不同。

上方波形圖為SiC-SBD和高速PND即Si-FRD反向恢復(fù)時(shí)的電流和時(shí)間。從波形圖可見(jiàn)紅色的SiC-SBD反向電流少，trr也短。順便一提，本特性因?yàn)榉聪螂娏鞯膿p耗而需要進(jìn)行研究探討。

Si-PND 和SiC-SBD的反向恢復(fù)時(shí)間特性

在這里，通過(guò)各二極管的斷面圖進(jìn)行介紹。下圖為Si-PND的偏置從正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置時(shí)電子和空穴的移動(dòng)。

正向偏置時(shí)注入載流子，通過(guò)空穴和電子的重新結(jié)合使電流流動(dòng)。如果是反向偏置的話(huà)，n層的空穴（少數(shù)載流子）會(huì)花些時(shí)間返回p層，到完全返回為止（一部分因?yàn)閴勖В┚须娏髁鲃?dòng)。這就是反向恢復(fù)電流。

第2個(gè)圖為SiC-SBD轉(zhuǎn)換為反向偏置時(shí)的示意圖。因肖特基勢(shì)壘結(jié)構(gòu)而不存在PN結(jié),所以沒(méi)有少數(shù)載流子，在反向偏置時(shí)n層的多數(shù)載流子(電子)只需要返回,因此只需要很少的反向恢復(fù)時(shí)間，其關(guān)斷時(shí)間比PND明顯縮短。

這種反向恢復(fù)時(shí)間的差異均因?yàn)槎O管結(jié)構(gòu)。因此，Si-SBD的反向恢復(fù)也是高速。然而，Si-SBD現(xiàn)狀的耐壓界限是200V左右，在比其更高的電壓下不能使用。而使用SiC的話(huà)，可以做出超過(guò)600V的高耐壓SBD。這就是SiC-SBD的一大優(yōu)點(diǎn)。

下面是反向恢復(fù)特性的溫度依賴(lài)性和電流依賴(lài)性相關(guān)數(shù)據(jù)。

上段的波形圖和圖表表示不同溫度的不同反向恢復(fù)特性。Si-FRD的溫度上升時(shí)載流子濃度也隨之上升，因此需要相應(yīng)的反向恢復(fù)時(shí)間。隨著室溫的增高，反向電流和trr也會(huì)變大。而SiC-SBD因?yàn)镾iC本身基本上沒(méi)有溫度依賴(lài)性，所以反向電流特性基本沒(méi)有變化。將trr的差制作了右上的圖表，通過(guò)對(duì)兩種Si-FRD的比較，發(fā)現(xiàn)SiC-SBD的trr基本上不存在溫度依賴(lài)性。

下段的波形圖表示與正向偏置時(shí)的正向電流IF的關(guān)系。由波形圖可觀察到SiC-SBD幾乎不受影響。

最后，雖然前面表述為SiC–SBD幾乎沒(méi)有反向電流，在波形圖里可明顯看出SiC-SBD比Si-FRD少很多，但也不是一點(diǎn)沒(méi)有。這是因?yàn)槎O管中寄生的結(jié)電容帶來(lái)的影響。因此，SiC-SBD與Si-PND相比，反向電流并不是零，而是明顯減少。

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