SiC PiN 的击穿电压很高,开关速度很快,重量很轻,并且体积很小,它在 3KV以上的整流器应用领域更加具有优势。2000年Cree公司研制出19.5 KV的台面PiN二极管,同一时期日本的 Sugawara 研究室也研究出了 12 KV 的台面 PiN 二极管。2005 年 Cree 公司报道了 10 KV、3.75 V、50 A 的 SiC PiN 二极管,其 10 KV/20 A PiN二极管系列的合格率已经达到 40%。
国内的SiC功率器件研究方面因为受到 SiC 单晶材料和外延设备的限制起步比较晚,但是却紧紧跟踪国外碳化硅器件的发展形势。国家十分重视碳化硅材料及其器件的研究, 在国家的大力支持下经已经初步形成了研究 SiC 晶体生长、SiC器件设计和制造的队伍。电子科技大学致力于器件结构设计方面,在新结构、器件结终端和器件击穿机理方面做了很多的工作,并且提出宽禁带半导体器件优值理论和宽禁带半导体功率双极型晶体管特性理论。
肖特基二极管的反向阻断特性较差,是受肖特基势垒变低的影响。为了获得高击穿电压,漂移区的掺杂浓度很低,因此势垒形成并不求助于减小 PN 结之间的间距。调整肖特基间距获得与 PiN 击穿电压接近的 JBS,但是 JBS 的高温漏电流大于 PiN,这是来源于肖特基区。JBS 反向偏置时,PN 结形成的耗尽区将会向沟道区扩散和交叠,从而在沟道区形成一个势垒,使耗尽层随着反向偏压的增加向衬底扩展。这个耗尽层将肖特基界面屏蔽于高场之外,避免了肖特基势垒降低效应,使反向漏电流密度大幅度减小。此时 JBS 类似于 PiN 管。反向漏电流的组成主要由两部分:一是来自肖特基势垒的注入;二是耗尽层产生电流和扩散电流。
产生二次击穿的原因主要是半导体材料的晶格缺陷和管内结面不均匀等引起的。二次击穿的产生过程是:半导体结面上一些薄弱点电流密度的增加,导致这些薄弱点上的温度增加引起这些薄弱点上的电流密度越来越大,温度也越来越高,如此恶性循环引起过热点半导体材料的晶体熔化。此时在两电极之间形成较低阻的电流通道,电流密度骤增,导致肖特基二极管还未达到击穿电压值就已经损坏。因此二次击穿是不可逆的,是破坏性的。流经二极管的平均电流并未达到二次击穿的击穿电压值,但是功率二极管还是会产生二次击穿。
碳化硅作为一种宽禁带半导体材料,比传统的硅基器件具有更的性能。碳化硅的宽禁带(3.26eV)、高临界场(3×106V/cm)和高导热系数(49W/mK)使功率半导体器件效率更高,运行速度更快,能够有效降低产品成本、体积及重量。
碳化硅具有载流子饱和速度高和热导率大的特点,应用开关频率可达到1MHz,在高频应用中优势明显,其中碳化硅肖特基二极管(SiC JBS)耐压可以达到6000V以上。相对应的,硅材料的禁带宽度较低,在较低的温度下硅器件本征载流子浓度较高,而高的漏电流会造成热击穿,这限制了器件在高温环境和大功率耗散条件下工作。
碳化硅(SiC)是一种的半导体材料,基于SiC的肖特基二极管(SiC Schottky Diode)具有更高能效、更高功率密度、更小尺寸和更高的可靠性,可以在电力电子技术领域打破硅的极限,成为新能源及电力电子的器件。
特点是:
(1)碳化硅单载流子器件漂移区薄,开态电阻小。比硅器件小100-300倍。由于有小的导通电阻,碳化硅功率器件的正向损耗小;
(2)碳化硅功率器件由于具有高的击穿电场而具有高的击穿电压。例如,商用的硅肖特基的电压小于300V,而个商用的碳化硅肖特基二极管的击穿电压已达到600V;
(3)碳化硅有较高的热导率;
(4)碳化硅器件可在较高温度下工作,而硅器件的大工作温度仅为150ºC;
(5)碳化硅具有很高的抗辐照能力;
(6)碳化硅功率器件的正反向特性随温度和时间的变化很小,可靠性好;
(7)碳化硅器件具有很好的反向恢复特性,反向恢复电流小,开关损耗小;
(8)碳化硅器件可减少功率器件体积和降低电路损耗。
碳化硅肖特基二极管可广泛应用于开关电源、功率因素校正(PFC)电路、不间断电源(UPS)、光伏逆变器等中高功率领域,可显著的减少电路的损耗,提高电路的工作频率。在PFC电路中用碳化硅SBD取代原来的硅FRD,可使电路工作在300kHz以上,效率基本保持不变,而相比下使用硅FRD的电路在100kHz以上的效率急剧下降。随着工作频率的提高,电感等无源原件的体积相应下降,整个电路板的体积下降30%以上。