碳化硅肖特基二極管

碳化硅肖特基二極管早已有之。它是一種金屬與半導(dǎo)體硅接觸的二極管，由于它的這種特殊結(jié)構(gòu)，使其具有如下不同尋常的特性：

碳化硅肖特基二極管比PN結(jié)器件的行為特性更像一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)。肖特基二極管最重要的兩個(gè)性能指標(biāo)就是它的低反向恢復(fù)電荷(Qrr)和它的恢復(fù)軟化系數(shù)。

低Qrr在二極管電壓換成反向偏置時(shí)，關(guān)閉過(guò)程所需時(shí)間，即反向恢復(fù)時(shí)間trr大大縮短。下表所列肖特基二極管trr小于0.01微妙。便于用于高頻范圍，有資料介紹其工作頻率可達(dá)1MHz(也有報(bào)道可達(dá)100GHz)。高軟化系數(shù)會(huì)減少二極管關(guān)閉所產(chǎn)生的EMI噪聲，降低換向操作干擾。

碳化硅肖特基二極管還有一個(gè)比PN結(jié)器件優(yōu)越的指標(biāo)是正向?qū)妷旱停哂械偷膶?dǎo)通損耗。

碳化硅肖特基二極管也有兩個(gè)缺點(diǎn)，一是反向耐壓VR較低，一般只有100V左右;二是反向漏電流IR較大。

肖特基二極管原理

肖特基二極管是貴金屬（金、銀、鋁、鉑等）A為正極，以N型半導(dǎo)體B為負(fù)極，利用二者接觸面上形成的勢(shì)壘具有整流特性而制成的金屬-半導(dǎo)體器件。因?yàn)镹型半導(dǎo)體中存在著大量的電子，貴金屬中僅有極少量的自由電子，所以電子便從濃度高的B中向濃度低的A中擴(kuò)散。顯然，金屬A中沒(méi)有空穴，也就不存在空穴自A向B的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。隨著電子不斷從B擴(kuò)散到A，B表面電子濃度逐漸降低，表面電中性被破壞，于是就形成勢(shì)壘，其電場(chǎng)方向?yàn)锽→A。但在該電場(chǎng)作用之下，A中的電子也會(huì)產(chǎn)生從A→B的漂移運(yùn)動(dòng)，從而消弱了由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)而形成的電場(chǎng)。當(dāng)建立起一定寬度的空間電荷區(qū)后，電場(chǎng)引起的電子漂移運(yùn)動(dòng)和濃度不同引起的電子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到相對(duì)的平衡，便形成了肖特基勢(shì)壘。

典型的肖特基整流管的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)是以N型半導(dǎo)體為基片，在上面形成用砷作摻雜劑的N-外延層。陽(yáng)極使用鉬或鋁等材料制成阻檔層。用二氧化硅（SiO2）來(lái)消除邊緣區(qū)域的電場(chǎng)，提高管子的耐壓值。N型基片具有很小的通態(tài)電阻，其摻雜濃度較H-層要高100%倍。在基片下邊形成N+陰極層，其作用是減小陰極的接觸電阻。通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，N型基片和陽(yáng)極金屬之間便形成肖特基勢(shì)壘，如圖所示。當(dāng)在肖特基勢(shì)壘兩端加上正向偏壓（陽(yáng)極金屬接電源正極，N型基片接電源負(fù)極）時(shí)，肖特基勢(shì)壘層變窄，其內(nèi)阻變小；反之，若在肖特基勢(shì)壘兩端加上反向偏壓時(shí)，肖特基勢(shì)壘層則變寬，其內(nèi)阻變大。

綜上所述，肖特基整流管的結(jié)構(gòu)原理與PN結(jié)整流管有很大的區(qū)別通常將PN結(jié)整流管稱作結(jié)整流管，而把金屬-半導(dǎo)管整流管叫作肖特基整流管，采用硅平面工藝制造的鋁硅肖特基二極管也已問(wèn)世，這不僅可節(jié)省貴金屬，大幅度降低成本，還改善了參數(shù)的一致性。

碳化硅半導(dǎo)體材料和用它制成的功率器件的特點(diǎn)

碳化硅SiC的能帶間隔為硅的2.8倍(寬禁帶),達(dá)到3.09電子伏特。其絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)為硅的5.3倍,高達(dá)3.2MV/cm.，其導(dǎo)熱率是硅的3.3倍,為49w/cm.k。

它與硅半導(dǎo)體材料一樣，可以制成結(jié)型器件、場(chǎng)效應(yīng)器件、和金屬與半導(dǎo)體接觸的肖特基二極管。

其優(yōu)點(diǎn)是：

(1) 碳化硅單載流子器件漂移區(qū)薄，開(kāi)態(tài)電阻小。比硅器件小100-300倍。由于有小的導(dǎo)通電阻，碳化硅功率器件的正向損耗小。

(2) 碳化硅功率器件由于具有高的擊穿電場(chǎng)而具有高的擊穿電壓。例如，商用的硅肖特基的電壓小于300V，而第一個(gè)商用的碳化硅肖特基二極管的擊穿電壓已達(dá)到600V。

(3) 碳化硅有高的熱導(dǎo)率，因此碳化硅功率器件有低的結(jié)到環(huán)境的熱阻。

(4) 碳化硅器件可工作在高溫，碳化硅器件已有工作在600oC的報(bào)道，而硅器件的最大工作溫度僅為150oC.

(5) 碳化硅具有很高的抗輻照能力。

(6) 碳化硅功率器件的正反向特性隨溫度和時(shí)間的變化很小，可靠性好。

(7) 碳化硅器件具有很好的反向恢復(fù)特性，反向恢復(fù)電流小，開(kāi)關(guān)損耗小。碳化硅功率器件可工作在高頻(>20KHz)。

(8) 碳化硅器件為減少功率器件體積和降低電路損耗作出了重要貢獻(xiàn)。

碳化硅肖特基二極管選型

碳化硅肖特基二極管優(yōu)勢(shì)

碳化硅肖特基二極管是一種單極型器件，因此相比于傳統(tǒng)的硅快恢復(fù)二極管（Si FRD），碳化硅肖特基二極管具有理想的反向恢復(fù)特性。在器件從正向?qū)ㄏ蚍聪蜃钄噢D(zhuǎn)換時(shí)，幾乎沒(méi)有反向恢復(fù)電流（如圖1.2a），反向恢復(fù)時(shí)間小于20ns，甚至600V 10A的碳化硅肖特基二極管的反向恢復(fù)時(shí)間在10ns以內(nèi)。因此碳化硅肖特基二極管可以工作在更高的頻率，在相同頻率下具有更高的效率。另一個(gè)重要的特點(diǎn)是碳化硅肖特基二極管具有正的溫度系數(shù)，隨著溫度的上升電阻也逐漸上升，這與硅FRD正好相反。這使得碳化硅肖特基二極管非常適合并聯(lián)實(shí)用，增加了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

概括碳化硅肖特基二極管的主要優(yōu)勢(shì)，有如下特點(diǎn)：

1. 幾乎無(wú)開(kāi)關(guān)損耗

2. 更高的開(kāi)關(guān)頻率

3. 更高的效率

4. 更高的工作溫度

5. 正的溫度系數(shù)，適合于并聯(lián)工作

6. 開(kāi)關(guān)特性幾乎與溫度無(wú)關(guān)

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