为什么所有的SiC肖特基二极管都不一样

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QWERTY1394|  楼主 | 2024-4-1 04:50 | 显示全部楼层 |阅读模式
在高功率应用中,碳化硅(SiC)的许多方面都优于硅,包括更高的工作温度以及更高效的高频开关性能。但是,与硅快速恢复二极管相比,纯 SiC 肖特基二极管的一些特性仍有待提高。本博客介绍Nexperia(安世半导体)如何将先进的器件结构与创新工艺技术结合在一起,以进一步提高 SiC 肖特基二极管的性能。

合并 PIN 肖特基(MPS)结构可减小漏电流

金属-半导体接面的缺陷是导致 SiC 肖特基二极管漏电流的主要原因。尽管采用更厚的漂移层可减小漏电流,但也会提高电阻和热阻,从而不利于电源应用。为解决这些问题, Nexperia SiC 开发了采用混合器件结构的 SiC 二极管,如图1所示。这种“合并 PiN 肖特基”(MPS)可将肖特基二极管和并联的 P-N 二极管有效地结合在一起。
△ 标准 SiC 肖特基二极管结构(左)和 Nexperia 的 SiC MPS 二极管结构(右)
在传统肖特基结构的漂移区内嵌入 P 掺杂区,与肖特基阳极的金属构成 p 欧姆接触,并与轻度掺杂 SiC 漂移或外延层构成 P-N 结。在反向偏压下, P 阱将“驱使”最高场强的通用区域向下移动到几乎没有缺陷的漂移层,远离有缺陷的金属势垒区域,从而减小总漏电流,如图2所示。P 阱的物理位置和面积(与肖特基二极管的尺寸相比)以及掺杂浓度会影响其最终特性,同时正向压降会抵消漏电流和浪涌电流。因此,在漏电流和漂移层厚度相同的情况下, MPS 器件可在更高的击穿电压下运行。
△ 图2:SiC MPS 二极管的静态 I-V 行为(包括过流)
MPS 二极管具有更出色的浪涌电流稳健性
SiC 器件的浪涌电流性能与其单极性和相对较高的漂移层电阻相关, MPS 结构也可以提高该参数性能。这是因为,双极性器件的差分电阻低于单极性器件。正常运行时, MPS 二极管的肖特基器件传导几乎所有电流,以便像肖特基二极管那样有效运行,同时在开关期间提供相同的优势。在高瞬态浪涌电流事件期间,通过 MPS 二极管的电压会超过内置 P-N 二极管的开启电压,从而开始以更低的差分电阻传导。这可以转移电流,同时限制耗散的功率,并缓解 MPS 二极管的热应力。如果只使用肖特基二极管,而不使用 P-N 二极管,则必须使用尺寸明显超规格的肖特基二极管,以允许目标应用中出现瞬时过流事件。为限制过流,可并联连接器件(或添加额外电路),但这会增加成本。同样, P 阱的尺寸和掺杂需要在正向压降(正常运行期间)与浪涌承受能力之间进行权衡。具体优化选择取决于应用, Nexperia(安世半导体)提供适合各种硬开关和软开关应用的二极管。找元器件现货上唯样商城
MPC 二极管的反向恢复特性
除了具有更出色的静态特性, SiC MPS 二极管在动态开关操作期间也具备诸多优点。其与硅基 P-N 二极管相比的一个显著优势与反向恢复特性有关。反向恢复电荷是造成硅快速恢复二极管功率损耗的一个主要原因,因此对转换器效率会有不利影响。影响反向恢复电荷的参数有很多,包括二极管关断电流和结温。相比之下,只有多数载流子才会影响 SiC 二极管的总电流,这意味着 SiC 二极管能够表现出几乎恒定的行为,几乎不会有硅快速恢复二极管的非线性性能。因此,功率设计人员更容易预测出 SiC 的行为,因为他们无需考虑各种环境温度和负载条件。
创新的“薄型 SiC ”二极管结构可进一步提高 MPS 二极管的性能
Nexperia(安世半导体)的 MPS 二极管在制造过程中减少了芯片厚度,因此具有额外的优势。未经过处理的 SiC 衬底为 N 掺杂衬底,并会生长出 SiC 外延层,以形成漂移区。衬底最初的厚度可达500  µm ,但在外延后,这会给背面金属的电流和热流路径增加额外的电阻和热阻。因此,给定电流下的正向压降和结温也会变得更高。针对该问题, Nexperia(安世半导体)的解决方案就是将衬底的底面“磨薄”。在此工序中,材料质量和研磨精度至关重要,以避免厚度不均匀,进而降低二极管的性能(这会导致现场应用中的器件故障)。此外,由于 SiC 的硬度更高(莫氏硬度等级为9.2至9.3,而硅的硬度等级为6.5),需要采用先进的制造技术。图3显示了该工艺的效果,通过使用 Nexperia(安世半导体)的“薄型 SiC ”技术将衬底厚度减少到原来的三分之一。
△图3:与标准的 SiC 二极管结构(左)相比, Nexperia(安世半导体)的“薄型 SiC ”工艺(右)可提高二极管的电气性能和热性能。
因此,从结点到背面金属的热阻显著降低,从而降低器件的工作温度,提高器件的可靠性(由于具备更高的浪涌电流稳健性),并降低正向压降。

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