碳化硅肖特基二極管

一、碳化硅肖特基二極管

肖特基二極管是以其發(fā)明人肖特基博士（Schottky）命名的，SBD是肖特基勢壘二極管（SchottkyBarrierDiode,縮寫成SBD）的簡稱。SBD不是利用P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體接觸形成PN結(jié)原理制作的，而是利用金屬與半導(dǎo)體交接處形成空間電荷區(qū)和自建電場。在外加電壓為零時，載流子的擴(kuò)散運(yùn)動與反向的漂移運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡，這時金屬與N型4H-SiC半導(dǎo)體交界處形成一個接觸勢壘，這就是肖特基勢壘。肖特基二極管就是依據(jù)此原理制作而成。因此，SBD也稱為金屬－半導(dǎo)體（接觸）二極管或表面勢壘二極管，它是一種熱載流子二極管。由于它的這種特殊結(jié)構(gòu)，使其具有如下不同尋常的特性：

碳化硅肖特基二極管比PN結(jié)器件的行為特性更像一個理想的開關(guān)。肖特基二極管最重要的兩個性能指標(biāo)就是它的低反向恢復(fù)電荷和它的恢復(fù)軟化系數(shù)。

低反向恢復(fù)電荷在二極管電壓換成反向偏置時，關(guān)閉過程所需時間，即反向恢復(fù)時間trr大大縮短。便于用于高頻運(yùn)行，快速且不受溫度影響的開關(guān)，減少開關(guān)損耗。高軟化系數(shù)會減少二極管關(guān)閉所產(chǎn)生的EMI噪音，降低換向操作干擾。

碳化硅肖特基二極管還有個比PN結(jié)器件優(yōu)越的指標(biāo)是正向?qū)?/span>壓低，具有低的導(dǎo)通損耗。但也有兩個缺點(diǎn)，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，實(shí)務(wù)設(shè)計(jì)上需注意其熱失控的隱憂。

二、碳化硅功率器件

SiC（碳化硅）是一種由Si（硅）和C（碳）構(gòu)成的化合物半導(dǎo)體材料。不僅絕緣擊穿場強(qiáng)是Si的10倍，帶隙是Si的3倍，而且在器件制作時可以在較寬范圍內(nèi)控制必要的p型、n型，所以被認(rèn)為是一種超越Si極限的功率器件材料。SiC中存在各種多型體（結(jié)晶多系），它們的物性值也各不相同。

碳化硅SiC的能帶間隔為硅的2.8倍(寬禁帶),達(dá)到3.09電子伏特。其絕緣擊穿場強(qiáng)為硅的5.3倍,高達(dá)3.2MV/cm.，其導(dǎo)熱率是硅的3.3倍,為49w/cm.k。

它與硅半導(dǎo)體材料一樣，可以制成結(jié)型器件、場效應(yīng)器件、和金屬與半導(dǎo)體接觸的肖特基二極管。也能夠以高頻器件結(jié)構(gòu)的多數(shù)載流子器件去實(shí)現(xiàn)高耐壓，從而同時實(shí)現(xiàn)高耐壓、低導(dǎo)體電阻、高頻這三個特性。

其優(yōu)點(diǎn)是：

1. 碳化硅單載流子器件漂移區(qū)薄，開態(tài)電阻小。比硅器件小100-300倍。由于有小的導(dǎo)通電阻，碳化硅功率器件的正向損耗小。

2. 碳化硅功率器件由于具有高的擊穿電場而具有高的擊穿電壓。例如，商用的硅肖特基的電壓小于300V，而第一個商用的碳化硅肖特基二極管的擊穿電壓已達(dá)到600V。

3. 碳化硅有高的熱導(dǎo)率，因此碳化硅功率器件有低的結(jié)到環(huán)境的熱阻。

4. 碳化硅器件能工作在高溫，碳化硅器件已有工作在600°C的報道，而硅器件的最大工作溫度僅為150°C。

5. 碳化硅具有很高的抗輻照能力。

6. 碳化硅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. 碳化硅器件具有很好的反向恢復(fù)特性，反向恢復(fù)電流小，開關(guān)損耗小。碳化硅功率器件可工作在高頻(>20KHz)。

8. 碳化硅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(xiàn)。

三、碳化硅肖特基二極管優(yōu)勢

碳化硅肖特基二極管是一種單極型器件，采用結(jié)勢壘肖特基二極管結(jié)構(gòu)（JBS），因此相比于傳統(tǒng)的硅快恢復(fù)二極管（Si FRD），碳化硅肖特基二極管具有理想的反向恢復(fù)特性。由于SBD是一種多數(shù)載流子導(dǎo)電器件，不存在少數(shù)載流子壽命和反向恢復(fù)問題。在器件從正向?qū)ㄏ蚍聪蜃钄噢D(zhuǎn)換時，幾乎沒有反向恢復(fù)電流，反向恢復(fù)實(shí)際小于20ns，甚至600V/10A的碳化硅肖特基二極管的反向恢復(fù)時間在10ns以內(nèi)。因此碳化硅肖特基二極管可以工作在更高頻率，在相同頻率下具有更高的效率。

由于存在肖特基勢壘，SBD具有較低的結(jié)勢壘高度。因此，SBD具有低正向電壓的優(yōu)勢。碳化硅肖特基二極管的出現(xiàn)將SBD的應(yīng)用范圍從250V提高到1200V。同時，其高溫特性好，從室溫到由管殼限定的175℃，反向漏電流幾乎沒有增加，可以有效降低反向漏電流，具備更好的耐高壓能力。

另一個重要的特點(diǎn)是碳化硅肖特基二極管具有正的溫度系數(shù)，隨著溫度的上升電阻也逐漸上升，這與硅FRD正好相反。這使得碳化硅肖特基二極管非常適合并聯(lián)實(shí)用，增加了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

概括碳化硅肖特基二極管的主要優(yōu)勢，有如下特點(diǎn)：

1. 有比超快恢復(fù)更高的開關(guān)速度，幾乎無開關(guān)損耗，更高的開關(guān)頻率，更高的效率。

2. 有比肖特基更高的反向電壓，更小的反向漏電。

3. 更高的工作溫度，反向漏電幾乎不受溫度影響。

4. 正的溫度系數(shù)，適合于并聯(lián)工作，解決并聯(lián)導(dǎo)致可靠性下降難題。

5. 開關(guān)特性幾乎與溫度無關(guān)，更加穩(wěn)定。

正由于碳化硅肖特基二極管具有以上這些特性，被廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、功率因素校正（PFC）電路、不間斷電源（UPS）、光伏逆變器等中高功率領(lǐng)域。在PFC電路中用碳化硅SBD取代原來的硅FRD，可使電路工作在300kHz以上，效率基本保持不變，而相比下使用硅FRD的電路在100kHz以上的效率急劇下降。隨著工作頻率的提高，電感等無源原件的體積相應(yīng)下降，整個電路板的體積下降30%以上?？娠@著減少電路的損耗，提高電路的工作頻率。

四、碳化硅肖特基二極管的重要參數(shù)

肖特基二極管應(yīng)用廣泛，特別是在開關(guān)電源當(dāng)中。在不同的應(yīng)用中，需要考慮不同的因素，而且，不同的器件在性能上也有差別，因此，在選用肖特基二極管時，下面這些參數(shù)需要綜合考慮。

1. 導(dǎo)通壓降VF

VF為二極管正向?qū)〞r二極管兩端的壓降，當(dāng)通過二極管的電流越大，VF越大;當(dāng)二極管溫度越高時，VF越小。

2. 反向飽和漏電流IR

IR指在二極管兩端加入反向電壓時，流過二極管的電流，反向飽和電流的大小決定了二極管自身的損耗，反向飽和電流越大，二極管的功耗越大，器件本體發(fā)熱越嚴(yán)重，因此反向飽和電流直接影響二極管的可靠性，其值越小越好。

3. 額定電流IF

指二極管長期運(yùn)行時，根據(jù)允許溫升折算出來的平均電流值。

4. 最大浪涌電流IFSM

允許流過的過量的正向電流。它不是正常電流，而是瞬間電流，這個值越大，抗沖擊浪涌能力越強(qiáng)。

5. 最大反向峰值電壓VRM

即使沒有反向電流，只要不斷地提高反向電壓，遲早會使二極管損壞。這種能加上的反向電壓，不是瞬時電壓，而是反復(fù)加上的正反向電壓。因給整流器加的是交流電壓，它的最大值是規(guī)定的重要因子。最大反向峰值電壓VRM指為避免擊穿所能加的最大反向電壓。目前肖特基最高的VRM值為150V。

6. 最大直流反向電壓VR

上述最大反向峰值電壓是反復(fù)加上的峰值電壓，VR是連續(xù)加直流電壓時的值。用于直流電路，最大直流反向電壓對于確定允許值和上限值是很重要的。

7. 最高工作頻率fM

由于PN結(jié)的結(jié)電容存在，當(dāng)工作頻率超過某一值時，它的單向?qū)щ娦詫⒆儾?。肖特基二極管的fM值較高，最大可達(dá)100GHz。

8. 反向恢復(fù)時間Trr

當(dāng)工作電壓從正向電壓變成反向電壓時，二極管工作的理想情況是電流能瞬時截止。實(shí)際上，一般要延遲一點(diǎn)點(diǎn)時間。決定電流截止延時的量，就是反向恢復(fù)時間。雖然它直接影響二極管的開關(guān)速度，但不一定說這個值小就好。也即當(dāng)二極管由導(dǎo)通突然反向時，反向電流由很大衰減到接近IR時所需要的時間。大功率開關(guān)管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)時，此項(xiàng)指標(biāo)至為重要。

9. 最大耗散功率P

二極管中有電流流過，就會吸熱，而使自身溫度升高。在實(shí)際中外部散熱狀況對P也是影響很大。具體講就是加在二極管兩端的電壓乘以流過的電流加上反向恢復(fù)損耗。

五、碳化硅肖特基二極管應(yīng)用

1. 太陽能逆變器

太陽能發(fā)電用二極管的基本材料，碳化硅二極管的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于普通雙極二極管(silicon bipolar)技術(shù)。碳化硅二極管導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)的轉(zhuǎn)換速度非?？?，而且沒有普通雙極二極管技術(shù)開關(guān)時的反向恢復(fù)電流。在消除反向恢復(fù)電流效應(yīng)后，碳化硅二極管的能耗降低70%，能夠在寬溫度范圍內(nèi)保持高能效，并提高設(shè)計(jì)人員優(yōu)化系統(tǒng)工作頻率的靈活性。

2. 開關(guān)電源

碳化硅的使用可以極快的切換，高頻率操作，零恢復(fù)和溫度無關(guān)的行為，再加我們的低電感RP包，這些二極管可以用在任向數(shù)量的快速開關(guān)二極管電路或高頻轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。

3. 新能源汽車充電器

碳化硅二極管通過汽車級產(chǎn)品測試，極性接反擊穿電壓提高到650V，能夠滿足設(shè)計(jì)人員和汽車廠商希望降低電壓補(bǔ)償系數(shù) 的要求，以確保車載充電半導(dǎo)體元器件的標(biāo)稱電壓與瞬間峰壓，之間有充足的安全裕度。二極管的雙管產(chǎn)品，可最大限度提升空間利用率，降低車載充電器的重量。

4. 功率因數(shù)校正

較短的反向恢復(fù)和正向恢復(fù)時間;最小的儲存電荷Q;低的漏電流和最低的開關(guān)損耗。過壓和浪涌電流能力非常重要，它們能夠用來處理PFC中由啟動和交流回落引起的浪涌和過電流。

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