碳化硅材料特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

碳化硅作為寬禁帶半導(dǎo)體的代表性材料之一，其材料本征特性與硅材料相比具有諸多優(yōu)勢(shì)。以現(xiàn)階段最適合用于做功率半導(dǎo)體的4H型碳化硅材料為例，其禁帶寬度是硅材料的3倍，熱導(dǎo)率是硅材料的3倍，電子飽和漂移速率是硅的2倍，臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)更是硅的10倍。

在硅基半導(dǎo)體器件性能已經(jīng)進(jìn)入瓶頸期時(shí)，碳化硅材料的優(yōu)異特性讓它成為了下一代功率半導(dǎo)體器件的理想原材料。

02

肖特基二極管的特點(diǎn)及應(yīng)用

相比于其它各類二極管，肖特基二極管“沒有反向恢復(fù)現(xiàn)象”特點(diǎn)，讓它在“有源PFC”、“高頻硬開關(guān)整流”等電路有廣泛的應(yīng)用前景。

受限于硅材料的特性，商用硅基肖特基二極管最高耐壓在200V左右，在現(xiàn)有技術(shù)平臺(tái)下，高電壓（300V以上）硅基肖特基二極管無法在正向特性、可靠性和成本等因素上達(dá)到平衡，致使其無法商用。

碳化硅肖特基二極管從2001年開始商用，至今已有20年商用積累，并在部分高中端電源市場(chǎng)批量應(yīng)用，逐步向通用市場(chǎng)滲透，具備廣闊的市場(chǎng)前景。

碳化硅材料在禁帶寬度和臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)等關(guān)鍵特性上具有明顯優(yōu)勢(shì)，可以用來做成高耐壓的肖特基二極管，目前650V-1700V碳化硅肖特基二極管在消費(fèi)、工業(yè)、汽車、軍工等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

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碳化硅肖特基二極管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)析

肖特基二極管：以金屬為陽極，以N型半導(dǎo)體為陰極，利用二者接觸面上形成的肖特基勢(shì)壘（Schottky barrier）的整流特性而制成的金屬-半導(dǎo)體二極管器件。

圖（2）為標(biāo)準(zhǔn)肖特基架構(gòu)示意圖，其主要由4部分構(gòu)成：

陽極金屬：Anode Metal

外延層：N- drift（輕摻雜），主要作用是承擔(dān)反向耐壓

襯底層：N+（重?fù)诫s），呈電阻特性，不具備電壓耐受能力

陰極金屬：Cathode Metal

圖（2）碳化硅肖特基二極管結(jié)構(gòu)示意圖

優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)螛O型器件，只有一種載流子，從正向?qū)ǖ椒聪蚪刂梗瑳]有反向恢復(fù)行為，適用于高頻開關(guān)電路。

缺點(diǎn)：漏電大（硅基肖特基二極管的這個(gè)缺點(diǎn)更明顯，所以耐壓做不高）。

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第二代碳化硅肖特基二極管-JBS簡(jiǎn)介

產(chǎn)業(yè)界以第一代標(biāo)準(zhǔn)肖特基結(jié)構(gòu)做成的肖特基二極管（SBD）漏電流大，反向耐壓低，產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力差，商業(yè)應(yīng)用價(jià)值低。為了提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，碳化硅肖特基二極管的結(jié)構(gòu)也從標(biāo)準(zhǔn)的SBD結(jié)構(gòu)向JBS進(jìn)化，所謂JBS，是在外延層表面注入P阱，在器件承受反壓時(shí)，通過P阱與N-在P周圍形成耗盡層，減小漏電流，提升器件的反向耐壓。

在較低電流密度情況下，SBD的VF占優(yōu)，在電流密度較高的情況下，PiN的VF占優(yōu)。

在器件正向?qū)〞r(shí)，主要以SBD二極管形態(tài)工作，PiN二極管一般不工作，在器件通過非正常的大電流時(shí)（例如浪涌電流），P阱與N-形成的PiN會(huì)投入工作，減小浪涌時(shí)刻VF的增長(zhǎng)，降低器件功耗，提升器件的抗浪涌能力。

圖（4）二極管正向與電流密度關(guān)系圖

基本半導(dǎo)體B1D系列碳化硅肖特基二極管均采用JBS結(jié)構(gòu)。

05

碳化硅肖特基二極管關(guān)鍵參數(shù)解讀

從應(yīng)用角度來說，在選擇器件時(shí)，需要優(yōu)先考慮器件能否滿足應(yīng)用要求，然后考慮器件對(duì)設(shè)備整體性能的提升幅度，綜合這兩個(gè)因素，列舉如下二極管的關(guān)鍵參數(shù)：

浪涌電流能力IFSM ：這是一個(gè)關(guān)乎器件能否安全使用的關(guān)鍵參數(shù)，比如在PFC電路中，要應(yīng)對(duì)電網(wǎng)接入的電流沖擊。全球電網(wǎng)工頻主要采用50Hz和60Hz，以50Hz工頻電網(wǎng)為例，其一個(gè)周期內(nèi)半波脈寬為10ms，器件應(yīng)用在50Hz電網(wǎng)對(duì)應(yīng)的PFC電路中時(shí)，需要標(biāo)定10ms正弦半波浪涌電流能力，而應(yīng)用在60Hz電網(wǎng)對(duì)應(yīng)的PFC電路中時(shí)，需要標(biāo)定8.3ms正弦半波浪涌電流能力。

浪涌電流能力IFmax ：同樣是一個(gè)關(guān)乎器件能否安全使用的參數(shù)，此參數(shù)描述二極管對(duì)脈寬為10μs的方波浪涌電流的耐受能力，主要用于評(píng)估在實(shí)際應(yīng)用中器件應(yīng)對(duì)瞬態(tài)浪涌電流（雷擊等）的耐受能力，如果應(yīng)用中設(shè)備有被雷擊的風(fēng)險(xiǎn)，需要重點(diǎn)關(guān)注此參數(shù)。

正向?qū)▔航礦F ：衡量二極管正向?qū)ㄐ阅茏钪匾膮?shù)，對(duì)工程師而言，需要更關(guān)注VF與Tj的依賴性關(guān)系。這里以基本半導(dǎo)體650V 10A TO-220封裝碳化硅肖特基二極管為例進(jìn)行說明。

圖（5）B1D10065K I F =f(V F ); parameter: Tj

如圖（5）所示，5條黑色曲線為B1D10065K對(duì)應(yīng)不同溫度下的I F =f(V F )曲線，黑色虛線為基本半導(dǎo)體下一代同規(guī)格產(chǎn)品在T j =100℃的預(yù)期I F =f(V F )曲線。通過對(duì)比T j =100℃條件下的兩條曲線可發(fā)現(xiàn)，在相同電流值情況下，虛線所對(duì)應(yīng)的VF值比實(shí)線（100℃）更低，正向?qū)ㄌ匦愿?，?yīng)用中，虛線斜率對(duì)應(yīng)的器件具有更低的導(dǎo)通損耗。

正向?qū)娏鱅F ：評(píng)估二極管出電流能力的關(guān)鍵參數(shù)，表征IF能力的信息可參考圖（6）的I F =f(T C )曲線圖，從字面意思理解，在其它參數(shù)條件都相同的情況下，IF越大，輸出電流能力越強(qiáng)，但不同品牌的器件器件參數(shù)不盡相同，實(shí)際應(yīng)用中需要綜合考慮各相關(guān)參數(shù)。

圖（6）B1D10065K的I F =f(T C )

結(jié)殼熱阻RthJC ：非常重要的一個(gè)參數(shù)，器件熱設(shè)計(jì)的主要依據(jù)（參考熱阻最大值），器件實(shí)際出力能力的高低與此值有緊密關(guān)聯(lián)。

存儲(chǔ)電荷QC ：影響應(yīng)用電路開關(guān)損耗的關(guān)鍵參數(shù)，開關(guān)頻率越高，QC對(duì)開關(guān)損耗的影響越大。根據(jù)E=q*U，在二極管關(guān)斷過程中，二極管中的存儲(chǔ)電荷QC克服電場(chǎng)力做功，會(huì)產(chǎn)生功耗，此部分產(chǎn)生的功耗以熱量的形式消散掉，對(duì)系統(tǒng)來說是沒有用的。應(yīng)用開關(guān)頻率越高，越需要關(guān)注此參數(shù)。

06

碳化硅肖特基二極管VF構(gòu)成

圖（7）所示為基本半導(dǎo)體B1D碳化硅肖特基二極管（JBS）結(jié)構(gòu)示意圖，其結(jié)構(gòu)大致可分為四部分，上表面陽極金屬、外延層（漂移區(qū)+緩沖區(qū)）、襯底層和背面陰極金屬。

作為單極型器件，碳化硅肖特基二極管優(yōu)點(diǎn)尤為突出，其“反向恢復(fù)為零”的特點(diǎn)讓其反向特性相比硅基快恢復(fù)二極管具有明顯優(yōu)勢(shì)；下面結(jié)合碳化硅肖特基二極管的結(jié)構(gòu)圖，談?wù)勌蓟栊ぬ鼗O管的導(dǎo)通壓降構(gòu)成。

碳化硅肖特基二極管在導(dǎo)通時(shí)，其導(dǎo)通壓降可等效為4部分構(gòu)成：

圖（7）①號(hào)區(qū)域的勢(shì)壘電壓

圖（7）②號(hào)區(qū)域溝道垂直電流分量和水平電流分量等效溝道電流與電阻的乘積

圖（7）③號(hào)區(qū)域外延（漂移區(qū)和緩沖區(qū)）的電流與電阻乘積

圖（7）④號(hào)區(qū)域（襯底區(qū)）電流與電阻的乘積