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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勢
  • Si與SiC肖特基二極管應用對比優勢
  •   發布日期: 2019-01-04  瀏覽次數: 1,630
    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,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。與傳統的硅相比,碳化硅具有以下優點:


     
     






      ·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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