SBD 在导通过程中没有额外载流子的注入和储存,因而反向恢复电流小,关断过程很快,开关损耗小。传统的硅肖特基二极管,由于所有金属与硅的功函数差都不很大,硅的肖特基势垒较低,硅 SBD 的反向漏电流偏大,阻断电压较低,只能用于一二百伏的低电压场合且不适合在 150 ℃以上工作。然而,碳化硅 SBD弥补了硅 SBD 的不足,许多金属,例如镍、金、钯、钛、钴等,都可以与碳化硅形成肖特基势垒高度 1 eV 以上的肖特基接触。据报道,Au/4H-SiC 接触的势垒高度可达到 1.73 eV,Ti/4H-SiC 接触的势垒比较低,但高也可以达到 1.1 eV。6H-SiC与各种金属接触之间的肖特基势垒高度变化比较宽,低只有 0.5 eV,高可达1.7 eV。于是,SBD 成为人们开发碳化硅电力电子器件关注的对象。它是高压快速与低功率损耗、耐高温相结合的理想器件。目前国际上相继研制成功水平较高的多种类的碳化硅器件。
SiC 肖特基势垒二极管在 1985 年问世,是 Yoshida 制作在 3C-SiC 上的,它的肖特基势垒高度用电容测量是 1.15 (±0.15) eV,用光响应测量是 1.11 (±0.03) eV,它的击穿电压只有8 V,只6H-SiC肖特基二极管的击穿电压大约有200 V,它是由 Glover. G. H 报道出来的。Bhatnagar 报道了个高压 400 V 6H-SiC 肖特基势垒二极管 ,这个二极管有低通态压降(1 V),没有反向恢复电流。随着碳化硅单晶、外延质量及碳化硅工艺水平不断地不断提高,越来越多性能的碳化硅肖特基二极管被报道。1993 年报道了只击穿电压超过 1000V的碳化硅肖特基二极管,该器件的肖特基接触金属是 Pd,它采用 N 型外延的掺杂浓度1×10cm,厚度是 10μm。的4H-SiC单晶的在 1995 年左右出现,它比6H-SiC的电子迁移率要高,临界击穿电场要大很多,这使得人们更倾向于研究4H-SiC的肖特基二极管。
功率二极管是功率半导体器件的重要组成部分,主要包括 PiN 二极管,肖特基势垒二极管和结势垒控制肖特基二极管。本章主要介绍了肖特基势垒的形成及其主要电流输运机理。并详细介绍了肖特基二极管和结势垒控制肖特基二极管的电学特性及其工作原理,为后两章对 4H-SiC JBS 器件电学特性的仿真研究奠定了理论基础。
金属与半导体接触时,载流子流经肖特基势垒形成的电流主要有四种输运途径。这四种输运方式为:
1、N 型 4H-SiC 半导体导带中的载流子电子越过势垒顶部热发射到金属;
2、N 型 4H-SiC 半导体导带中的载流子电子以量子力学隧穿效应进入金属;
3、空间电荷区中空穴和电子的复合;
4、4H-SiC 半导体与金属由于空穴注入效应导致的的中性区复合。
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。
用碳化硅肖特基二极管替换快速PN 结的快速恢复二极管(FRD),能够明显减少恢复损耗,有利于开关电源的高频化,减小电感、变压器等被动元件的体积,使开关电源小型化,并降低产品噪音。
肖特基二极管,又称热载流子二极管,通过金属和半导体接触(肖特基接触)形成肖特基势垒,实现整流。与普通PN结二极管相比,肖特基二极管的反向恢复惯性非常低。因此,肖特基二极管适用于高频整流或高速开关。
碳化硅的能带间隔为硅的2.8倍(宽禁带),达到3.09电子伏特。其绝缘击穿场强为硅的5.3倍,高达3.2MV/cm,其导热率是硅的3.3倍,为49w/cm·k。它与硅半导体材料一样,可以制成结型器件、场效应器件、和金属与半导体接触的肖特基二极管。
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