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碳化硅肖特基二极管的设计与优化!

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作者:ADMIN来源:碳化硅肖特基二极管资讯

    碳化硅肖特基二极管(SiC)具有宽频带、高热导率等固有的材料特性,在中高压功率半导体器件制造中得到了广泛的应用。


    肖特基二极管、MOSFET和JFET是目前市场上***的SiC功率器件,尤其是SiC肖特基二极管,自本世纪初商业化以来已经有近20年的成熟应用经验。最早的SiC肖特基二极管采用纯肖特基势垒二极管(SBD)结构,后来发展成具有低反向漏电流的结势垒肖特基(JBS)结构,最新的结构被称为合并PN肖特基(MPS)结构,具有大幅度提高的浪涌电流处理能力。


    基于100mmSiC晶片的650VSiCMPS二极管,并于2017年发布了基于150mm高质量SiC晶片的650VSiCMPS二极管。今年早些时候,基于成熟的150mm晶圆技术,推出了1200VSiCMPS二极管和AEC-Q101合格的650V汽车SiCMPS二极管。


    本文将首先讨论SiC功率器件具有优异性能的原因,然后介绍SiC产品的设计过程。最后介绍了具有超低反向恢复电荷(Qrr)特性的sicmps二极管。


    为什么SiC碳化硅功率芯片更小?


    功率芯片的尺寸直接由单位面积的导通电阻决定,而导通电阻主要由作为功能层的外延层的电阻决定。为了减小器件的导通电阻,有必要增加外延层中的掺杂浓度(即降低电阻率)或减小外延层的厚度,但这也会导致击穿电压的降低。这意味着芯片设计者必须权衡导通电阻和击穿电压。


    器件的击穿电压与击穿电场的平方(VB∞b2)成正比。由于具有比硅高近10倍的击穿电场,SiC器件表现出比硅器件更“友好”(即电阻更低)的外延层规格范围,以实现相同的击穿电压额定值。以600V肖特基二极管为例,5um厚、1016cm-3掺杂浓度的外延层对SiC二极管来说是足够的。但对于硅二极管,外延层规格的要求要“更严格”(即更高的电阻),至少需要50µm的厚度和1015cm-3的掺杂浓度。毫无疑问,要避免外延层电阻的进一步增大,**的办法就是扩大芯片尺寸。因此,由于具有很强的正向电流传导能力,SiC功率器件可以设计成更小的芯片尺寸。

碳化硅肖特基二极管-国晶微半导体

    为什么SiC功率芯片在高温下性能更好?


    Si的本征载流子浓度约为1010cm-3,而SiC的本征载流子浓度仅为10-9cm-3,这两个值都是在室温下获得的。本征载流子浓度最显著的特征是,当温度线性升高时,本征载流子浓度呈指数增长。可以看出,当结温达到200℃时,硅的本征载流子浓度将超过1014cm-3,与正常PN结浓度相当,这往往导致工作硅器件的不可逆失效。由于具有超低的本征载流子浓度,SiC功率器件将安全地经受更高的温度,甚至超过600℃。


    这是SiC器件能够承受高温的主要原因。但由于包装技术和应用的局限性,最常见的商用碳化硅产品在产品说明书中仅显示最高结温175℃。然而,由于热导率是硅的三倍,SiC功率器件仍然具有更好的热性能。


    为什么SiC二极管有更好的开关性能?


    我们在市场上讨论的SiC二极管大多是肖特基二极管。作为单极性器件,肖特基二极管的反向恢复时间接近于零,这意味着硅肖特基二极管也具有类似的性能。但是正如我们之前提到的,高压Si肖特基二极管也会表现出巨大的通电阻,这限制了商用Si肖特基二极管的电压额定值在200V以下,而SiC则长期向市场投放650V/1200V/1700VSiC肖特基二极管。


    传统的高压硅二极管是PiN二极管,采用高电阻率和厚外延层来承受高反向电压。从P区注入少数载流子(即电导调制)可以降低导通电阻,这是获得高压硅二极管的常用设计。但是这种PiN型二极管需要花费额外的时间来去除少数载流子,并在器件关闭时产生反向恢复电流。更糟的是,由于少数载流子的特性,当温度升高时,反向电流会变大。


    由于肖特基结构的性质,SiC二极管的反向恢复行为与温度无关。总之,由于其优越的物理性能,肖特基结构可用于高压SiC二极管的设计,从而使SiC二极管具有更好的开关性能。

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