作者：Steven Keeping

投稿人：DigiKey 北美編輯

碳化硅 (SiC) 在許多方面優(yōu)于硅 (Si)，特別適合用于電池快充、光伏 (PV) 電池轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器等應(yīng)用中的肖特基二極管。盡管如此，設(shè)計(jì)人員仍需要進(jìn)一步提升器件效率。

利用碳化硅器件實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)有兩種途徑：一是降低漏電流，二是減少因熱阻引起的損耗。盡管實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)具有挑戰(zhàn)性，但合并引腳肖特基 (MPS) 二極管提供了一種解決方案。MPS 器件還能提高肖特基二極管的浪涌電流性能。

本文將介紹 SiC 肖特基二極管相比傳統(tǒng)二極管在大功率應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)，并概述在哪些方面可以進(jìn)一步提高性能。然后以 [Nexperia] 提供的 MPS 二極管為例展開(kāi)介紹，總結(jié)這種器件的關(guān)鍵特性，并探討設(shè)計(jì)人員如何通過(guò)使用這些器件來(lái)獲得優(yōu)勢(shì)。

SiC 硅肖特基二極管的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的 Si P-N 結(jié)相比，SiC 肖特基二極管的優(yōu)勢(shì)源自于底層半導(dǎo)體材料的特性及其設(shè)計(jì)。SiC 的帶隙比 Si 寬。帶隙是將電子從半導(dǎo)體中的價(jià)帶移至導(dǎo)帶所需的能量，是決定材料電導(dǎo)率的關(guān)鍵因素。

SiC 具有更寬的帶隙，在相同額定電壓下具有比 Si 器件高出一個(gè)數(shù)量級(jí)的介電擊穿場(chǎng)強(qiáng)，同時(shí)具有更薄的漂移層。漂移層是傳統(tǒng)二極管 P 層和 N 層之間的輕摻雜層，或是 SiC 肖特基二極管的金屬層和 P 層。更薄的漂移層具有更低的電阻率和更好的導(dǎo)電性能，并且芯片尺寸更小。

SiC 的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其熱導(dǎo)率大約高 3.5 倍，從而在一定芯片面積內(nèi)提高了功率耗散。SiC 的最高工作溫度幾乎是 Si 的兩倍。使用尺寸更小的芯片可降低器件的自電容，在規(guī)定的額定電流和電壓條件下，相關(guān)的電荷也更低。這些特性以及 SiC 更高的電子飽和速度，使得開(kāi)關(guān)速度更快，損耗更低。

肖特基二極管在結(jié)構(gòu)上摒棄了傳統(tǒng)的 P-N 結(jié)和 P 型材料，而是使用與 N 型材料鍵合的薄金屬層，如鉑、鎢、金或其他金屬。這種鍵合形成的“金屬-半導(dǎo)體 (M-S)”結(jié)稱(chēng)為肖特基勢(shì)壘（圖 1）。

圖 1： 肖特基二極管用金屬取代傳統(tǒng)二極管的 P 型半導(dǎo)體（上），形成 M - S 結(jié)（下）。（圖片來(lái)源：DigiKey）

與 P-N 結(jié)相比，M-S 結(jié)在正向和反向偏壓條件下產(chǎn)生較窄的電子耗盡區(qū)（圖 2）。較窄的耗盡區(qū)給肖特基二極管帶來(lái)一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：比傳統(tǒng)二極管更低的正向電壓（V F ）。正向偏置時(shí)，肖特基二極管通常在幾百毫伏電壓下開(kāi)始導(dǎo)通，而 P-N 結(jié)則需要 0.6 V 至 0.7 V 才開(kāi)始導(dǎo)通。這一特性有利于如電池供電型設(shè)備等低功耗應(yīng)用。

圖 2：在正向和反向偏壓條件下，肖特基二極管耗盡區(qū)都較窄，因此能降低正向電壓和損耗。（圖片來(lái)源：DigiKey）

肖特基器件僅通過(guò)多數(shù)載流子（電子）導(dǎo)電，當(dāng)器件正向偏置時(shí)，二極管結(jié)耗盡層中存儲(chǔ)的電荷可忽略不計(jì)。這會(huì)限制二極管開(kāi)關(guān)從正向偏置切換至反向偏置時(shí)的損耗（和功率耗散）。相比之下，P-N 結(jié)二極管通過(guò)少數(shù)載流子和多數(shù)載流子導(dǎo)通，從而導(dǎo)致耗盡層中會(huì)存儲(chǔ)更多的電荷。其結(jié)果是，P-N 器件的開(kāi)關(guān)損耗更高，并且隨著頻率的增加而倍增。

總體而言，肖特基二極管比 P-N 器件的功耗小，并且在高功率應(yīng)用中的散熱效率高。更小的功率耗散使肖特基二極管能夠承受更高的溫度，從而獲得更強(qiáng)的性能和更高的可靠性，且沒(méi)有熱擊穿風(fēng)險(xiǎn)。

肖特基二極管耗盡區(qū)窄還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)：使元器件具有較低電容。低電容加上 SiC 二極管的“軟開(kāi)關(guān)”特性，可顯著降低電磁干擾 (EMI)。

如何使 SiC 肖特基二極管更加出色

SiC 肖特基二極管技術(shù)在不斷改進(jìn)。例如，當(dāng)代 SiC 器件的狹窄耗盡區(qū)會(huì)使制造 M-S 接口時(shí)出現(xiàn)的缺陷影響倍增，導(dǎo)致二極管在反向偏置時(shí)出現(xiàn)高漏電流。此外，窄耗盡區(qū)還能防止 SiC 肖特基二極管承受高反向電壓 (V R )。肖特基二極管可以承受幾十伏的 V R ，而 P-N 結(jié)則可以承受數(shù)百伏的電壓。

解決 SiC 二極管漏電流高的一個(gè)方案是加厚二極管的漂移層和基板。然而，在給定電流下，這會(huì)增加電阻、熱阻并推高 VF 和結(jié)點(diǎn)溫度 (T J )。此外，加厚漂移層具有較高的電阻，會(huì)影響浪涌電流性能。

Nexperia 通過(guò)其 MPS 二極管解決了這一難題。Nexperia [PSC 系列] 的 MPS 結(jié)構(gòu)采用了兩種二極管，一種是 SiC 肖特基二極管，另一種是 P-N 器件，且這兩器件并聯(lián)。在傳統(tǒng)肖特基器件的漂移區(qū)植入 P 摻雜“阱”，在肖特基陽(yáng)極處與金屬形成 P 型歐姆接觸，與輕摻雜的 SiC 漂移層（或外延層）形成 P-N 結(jié)（圖 3）。

圖 3：MPS 結(jié)構(gòu)采用兩個(gè)并聯(lián)的器件，一個(gè)是 SiC 肖特基器件，另一個(gè)是 P-N 器件。摻雜 P 的區(qū)域被植入漂移區(qū)，從而與金屬形成 P 型歐姆接觸，并與 SiC 漂移層或外延層形成 P-N 結(jié)。（圖片來(lái)源：Nexperia）

在反向偏壓作用下，P 摻雜阱區(qū)促使最大場(chǎng)強(qiáng)向下轉(zhuǎn)移至幾乎無(wú)缺陷的漂移層，遠(yuǎn)離具有缺陷的金屬勢(shì)壘區(qū)，從而減小了整體漏電流（圖 4）。

圖 4：在 SiC 肖特基二極管中加入 P 摻雜阱，可將反向偏置下的最大場(chǎng)強(qiáng)區(qū)移離陽(yáng)極金屬區(qū)。這樣會(huì)得到較低的漏電流。（圖片來(lái)源：Nexperia）

P 摻雜阱的位置、面積和摻雜濃度會(huì)影響最終特性，并產(chǎn)生 VF 降低與漏電流、浪涌電流之間形成權(quán)衡關(guān)系。其結(jié)果是，MPS 器件能夠在比傳統(tǒng) SiC 二極管更高的擊穿電壓下工作，同時(shí)保持相同的漏電流和漂移層厚度。

肖特基二極管（單極器件）和 P-N 二極管（雙極器件）的混合組合決定了 P-N 結(jié)在正常情況下不會(huì)導(dǎo)通，其效果是幾乎沒(méi)有反向恢復(fù)損耗。不過(guò)，由于 P-N 二極管在發(fā)生瞬態(tài)過(guò)流事件時(shí)會(huì)導(dǎo)通，因此混合排列結(jié)構(gòu)能提高額定浪涌電流，從而能有效地保護(hù)混合器件。

由于 MPS 二極管在標(biāo)稱(chēng)條件下的特征類(lèi)似于肖特基二極管，因此這些器件表現(xiàn)出純電容開(kāi)關(guān)特征，導(dǎo)致其反向恢復(fù)電荷 (Q RR ) 低于具有相同電氣額定值的 Si 快速恢復(fù)二極管。QRR 是二極管中存儲(chǔ)的電荷。這種電荷必須在二極管阻斷反向電壓之前重新結(jié)合，是 Si 二極管的主要損耗因素之一。

圖 5 比較了 Si 二極管與 SiC 二極管（Nexperia 的 [PSC1065HJ] ）的反向恢復(fù)特性。SiC 二極管具有純電容開(kāi)關(guān)特性，因此 QRR 極小。QRR 相當(dāng)于 I F = 0 軸下方的面積。

圖 5：所示為 Si 二極管（左）與 SiC 二極管（右）的反向恢復(fù)特性對(duì)比。SiC 二極管表現(xiàn)出純電容性開(kāi)關(guān)特性，導(dǎo)致 QRR 極小。（圖片來(lái)源：Nexperia）

在制造過(guò)程中減少漂移層厚度

與傳統(tǒng)的 SiC 二極管相比，MPS 二極管顯著減小了漏電流，因此，可通過(guò)減少漂移層厚度來(lái)獲得優(yōu)勢(shì)。如上所述，傳統(tǒng) SiC 二極管的漂移層比 Si 二極管的漂移層厚，以保持較低的漏電流。

在制造過(guò)程中，未處理的 SiC 襯底經(jīng)過(guò) N 摻雜處理，SiC 外延層“生長(zhǎng)”形成漂移區(qū)。襯底厚度可達(dá) 500 微米 (μm)，這會(huì)增大從結(jié)到背面金屬的電流路徑的電阻和熱流路徑的熱阻。其結(jié)果是，在給定電流下 VF 下降和 TJ 增加。

要降低漂移層的電阻和熱阻，可以在制造過(guò)程中通過(guò)研磨減小襯底底面的厚度（圖 6）。這樣，MPS 二極管在給定的工作條件下與同類(lèi) SiC 二極管相比，工作溫度更低、可靠性更高、浪涌電流能力更強(qiáng)、VF 下降更低。

圖 6：與同類(lèi) SiC 二極管相比，減小襯底（右）的厚度度可使 MPS 二極管的工作溫度更低、可靠性更高、浪涌電流能力更強(qiáng)、VF 下降更低。（圖片源型：Nexperia）

商業(yè)選擇

Nexperia 為電池充電基礎(chǔ)設(shè)施、服務(wù)器和電信電源、不間斷電源以及光伏逆變器等諸多應(yīng)用提供一系列 MPS 二極管。

[PSC0665HJ] （圖 7）是采用 DPAK R2P (TO-252-2) 表面貼裝封裝的 MPS SiC 肖特基二極管。從結(jié)到外殼的熱阻 (R th(j-c) ) 為 2.7 開(kāi)爾文/瓦 (K/W)?？偣β屎纳?(P tot ) (Tc ≤ +25°C) 為 115 W。該二極管具有與溫度無(wú)關(guān)的電容性關(guān)斷和零恢復(fù)開(kāi)關(guān)特性，并具有良好的品質(zhì)因數(shù) (FOM)（FOM = 總電容電荷 (Q C ) x V F ）。該器件提供穩(wěn)定可靠的浪涌電流保護(hù)，具體表現(xiàn)為非重復(fù)高峰值正向電流 (I FSM )。

圖 7：PSC0665HJ 是采用 DPAK R2P (TO-252-2) 封裝的 MPS SiC 肖特基二極管。（圖片來(lái)源：Nexperia）

PSC0665HJ 的 QC 為 14 納庫(kù)侖 (nC)（VR = 400 V；d IF /dt = 200 A/毫秒 (A/μs)；正向電流 (I F ) ≤ 6 A；TJ = +25°C）和 VF = 1.5 V（I F = 6 A；TJ = +25°C）。由此得出該二極管的 FOM 為 14 nC x 1.5 V = 21 納焦 (nJ)。

最大重復(fù)峰值反向電壓 (V RRM ) 為 650 V。反向電流 (I R ) 在 +25°C 時(shí)為 1 μA，VR 為 650 V。最大正向電流 (I F ) 為 6 A，最大 IFSM 為 300 A（tp = 10 μs；方波；Tc = +25°C）或 36 A（tp = 10 ms；半正弦波；Tc = +25°C）。

[PSC2065LQ] 是 Nexperia MPS SiC 肖特基二極管系列的另一款產(chǎn)品。該器件采用 TO247 R2P (TO-247-2) 通孔插裝功率塑料封裝。從結(jié)到外殼的熱阻 (Rth(j-c))~~ 為 1 W。P tot （Tc ≤ +25°C）為 115 W。

PSC2065LQ 的 QC 為 41 nC（VR = 400 V；dI F /dt = 200 A/μs；IF ≤ 20 A；Tj = +25°C），VF = 1.5 V（IF = 20 A；TJ = +25°C）。因此，F(xiàn)OM 為 41 nC x 1.5 V = 61.5 nJ。

VRRM 為 650 V。IR 在 +25°C 時(shí)為 1 μA，VR 為 650 V。最大 IF 為 10 A，最大 IFSM為 440 A（tp = 10 μs；方波；Tc = +25°C）或 52 A（tp = 10 ms；半正弦波；Tc = +25°C）。

結(jié)語(yǔ)

與 Si 相比，SiC 肖特基二極管具有強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，例如開(kāi)關(guān)性能顯著提高，開(kāi)關(guān)頻率更高，同時(shí)不會(huì)降低輸出功率或整體系統(tǒng)效率。Nexperia 公司的混合型 MPS 結(jié)構(gòu)充分利用了 SiC 肖特基二極管與 P-N 二極管的并聯(lián)優(yōu)勢(shì)，顯著提升了 SiC 肖特基二極管的性能。與同類(lèi) SiC 二極管相比，該器件在給定的工作條件下，工作溫度更低、可靠性更高、抗浪涌電流能力更強(qiáng)、VF下降更小。

審核編輯 黃宇