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%。
SiC MOSFET 的比导通电阻很低,工作频率很高,在高温下能够稳定的工作,它在功率器件领域很有应用前景。目前国际上报道的几种结构:UMOS、VDMOS、LDMOS、UMOS ACCUFET,以及 SIAFET 等。2008 年报道的双 RESURF 结构LDMOS,具有 1550 V 阻断电压.
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。
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。
碳化硅肖特基二极管的开启导通电压比硅快速恢复二极管较低,如果要降低VF值,需要减薄肖特基势垒的高度,但这会使器件反向偏压时的漏电流增大。碳化硅肖特基二极管的温度特性与硅快速恢复二极管不同,当温度升高时导通阻抗会增加,VF值也上升,这样器件发热不易发生热失控,更适合并联使用。
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。
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