SiC产品和Si产品的两点比较 SiC肖特基势垒二极管的特征

 1

  SiC肖特基势垒二极管的特征，及与Si二极管的比较  

我们从SiC肖特基势垒二极管（以下简称“SBD”）的结构开始介绍。如下图所示，为了形成肖特基势垒，将半导体SiC与金属相接合（肖特基结）。结构与Si肖特基势垒二极管基本相同，其重要特征也是具备高速特性。

而SiC-SBD的特征是其不仅拥有优异的高速性还同时实现了高耐压。要想提高Si-SBD的耐压，只要增厚图中的n-型层、降低载流子浓度即可，但这会带来阻值上升、VF变高等损耗较大无法实际应用的问题。因此，Si-SBD的耐压200V已经是极限。而SiC拥有超过硅10倍的绝缘击穿场强,所以不仅能保持实际应用特性且可耐高压。

SiC-SBD和Si-PN结二极管

通过Si二极管来应对SBD以上的耐压的是PN结二极管（称为“PND”）。下图为Si-PN二极管的结构。SBD是仅电子移动，电流流动，而PN结二极管是通过电子和空穴（孔）使电流流动。通过在n-层积蓄少数载流子的空穴使阻值下降，从而同时实现高耐压和低阻值，但关断的速度会变慢。

尽管FRD（快速恢复二极管）利用PN结二极管提高了速度，但尽管如此，trr（反向恢复时间）特性等劣于SBD。因此，trr损耗是高耐压Si PN结二极管的重大研究项目。此时，开关电源无法对应高速的开关频率也是课题之一。

右上图表示Si的SBD、PND、FRD和SiC-SBD耐压的覆盖范围。可以看出SiC-SBD基本覆盖了PND/FRD的耐压范围。SiC-SBD可同时实现高速性和高耐压，与PND/FRD相比Err（恢复损耗）显著降低，开关频率也可提高，因此可使用小型变压器和电容器，有助于设备小型化。

 2 

  SiC-SBD与Si-PND的反向恢复特性比较  

反向恢复特性是二极管、特别是高速型二极管的基本且重要的参数，所以不仅要比较trr的数值，还要理解其波形和温度特性，这样有助于有效使用二极管。  

首先，反向恢复或恢复是指二极管在呈反向偏置状态时，无法立即完全关断，有时会出现反向电流的现象。trr是其反向电流的流动时间。下面我们来了解其原因和实际特性。  

简单地说,trr的速度和反向恢复特性的不同是因为二极管构造不同。这就需要谈到在半导体中移动的电子和空穴。先通过波形图来了解SiC-SBD和Si-PND反向恢复特性的不同。  

 

上方波形图为SiC-SBD和高速PND即Si-FRD反向恢复时的电流和时间。从波形图可见红色的SiC-SBD反向电流少，trr也短。顺便一提，本特性因为反向电流的损耗而需要进行研究探讨。  

Si-PND 和SiC-SBD的反向恢复时间特性  

在这里，通过各二极管的断面图进行介绍。下图为Si-PND的偏置从正向偏置转换为反向偏置时电子和空穴的移动。  

正向偏置时注入载流子，通过空穴和电子的重新结合使电流流动。如果是反向偏置的话，n层的空穴（少数载流子）会花些时间返回p层，到完全返回为止（一部分因为寿命而消失）均有电流流动。这就是反向恢复电流。  



 

第2个图为SiC-SBD转换为反向偏置时的示意图。因肖特基势垒结构而不存在PN结,所以没有少数载流子，在反向偏置时n层的多数载流子(电子)只需要返回,因此只需要很少的反向恢复时间，其关断时间比PND明显缩短。  

这种反向恢复时间的差异均因为二极管结构。因此，Si-SBD的反向恢复也是高速。然而，Si-SBD现状的耐压界限是200V左右，在比其更高的电压下不能使用。而使用SiC的话，可以做出超过600V的高耐压SBD。这就是SiC-SBD的一大优点。  

下面是反向恢复特性的温度依赖性和电流依赖性相关数据。  

 

上段的波形图和图表表示不同温度的不同反向恢复特性。Si-FRD的温度上升时载流子浓度也随之上升，因此需要相应的反向恢复时间。随着室温的增高，反向电流和trr也会变大。而SiC-SBD因为SiC本身基本上没有温度依赖性，所以反向电流特性基本没有变化。将trr的差制作了右上的图表，通过对两种Si-FRD的比较，发现SiC-SBD的trr基本上不存在温度依赖性。  

下段的波形图表示与正向偏置时的正向电流IF的关系。由波形图可观察到SiC-SBD几乎不受影响。  

最后，虽然前面表述为SiC–SBD几乎没有反向电流，在波形图里可明显看出SiC-SBD比Si-FRD少很多，但也不是一点没有。这是因为二极管中寄生的结电容带来的影响。因此，SiC-SBD与Si-PND相比，反向电流并不是零，而是明显减少。

审核编辑：刘清