【導讀】在高功率應用中，碳化矽（SiC）的許多方麵都優於矽，包括更高的工作溫度以及更高效的高頻開關性能。但是，與矽快速恢複二極管相比
，純 SiC 肖特基二極管的一些特性仍有待提高。本博客介紹Nexperia（安世半導體）如何將先進的器件結構與創新工藝技術結合在一起，以進一步提高 SiC 肖特基二極管的性能。

在高功率應用中，碳化矽（SiC）的許多方麵都優於矽，包括更高的工作溫度以及更高效的高頻開關性能。但是，與矽快速恢複二極管相比
，純 SiC 肖特基二極管的一些特性仍有待提高。本博客介紹Nexperia（安世半導體）如何將先進的器件結構與創新工藝技術結合在一起，以進一步提高 SiC 肖特基二極管的性能。

合並 PIN 肖特基（MPS）結構可減小漏電流

金屬-半導體接麵的缺陷是導致 SiC 肖(xiao)特(te)基(ji)二(er)極(ji)管(guan)漏(lou)電(dian)流(liu)的(de)主(zhu)要(yao)原(yuan)因(yin)。盡(jin)管(guan)采(cai)用(yong)更(geng)厚(hou)的(de)漂(piao)移(yi)層(ceng)可(ke)減(jian)小(xiao)漏(lou)電(dian)流(liu)，但(dan)也(ye)會(hui)提(ti)高(gao)電(dian)阻(zu)和(he)熱(re)阻(zu)

，從(cong)而(er)不(bu)利(li)於(yu)電(dian)源(yuan)應(ying)用(yong)。為(wei)解(jie)決(jue)這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)

， Nexperia SiC 開發了采用混合器件結構的 SiC 二極管
，如圖1所示。這種“合並 PiN 肖特基”（MPS）可將肖特基二極管和並聯的 P-N 二極管有效地結合在一起。

標準 SiC 肖特基二極管結構（左）和 Nexperia 的 SiC MPS 二極管結構（右）

在傳統肖特基結構的漂移區內嵌入 P 摻雜區
，與肖特基陽極的金屬構成 p 歐姆接觸，並與輕度摻雜 SiC 漂移或外延層構成 P-N 結。在反向偏壓下
， P 阱將“驅使”最高場強的通用區域向下移動到幾乎沒有缺陷的漂移層，遠離有缺陷的金屬勢壘區域，從而減小總漏電流，如圖2所示。P 阱的物理位置和麵積（與肖特基二極管的尺寸相比）以及摻雜濃度會影響其最終特性，同時正向壓降會抵消漏電流和浪湧電流。因此，在漏電流和漂移層厚度相同的情況下
， MPS 器件可在更高的擊穿電壓下運行。

圖2：SiC MPS 二極管的靜態 I-V 行為（包括過流）

MPS 二極管具有更出色的浪湧電流穩健性

SiC 器件的浪湧電流性能與其單極性和相對較高的漂移層電阻相關
， MPS 結構也可以提高該參數性能。這是因為，雙極性器件的差分電阻低於單極性器件。正常運行時


， MPS 二(er)極(ji)管(guan)的(de)肖(xiao)特(te)基(ji)器(qi)件(jian)傳(chuan)導(dao)幾(ji)乎(hu)所(suo)有(you)電(dian)流(liu)，以(yi)便(bian)像(xiang)肖(xiao)特(te)基(ji)二(er)極(ji)管(guan)那(na)樣(yang)有(you)效(xiao)運(yun)行(xing)，同(tong)時(shi)在(zai)開(kai)關(guan)期(qi)間(jian)提(ti)供(gong)相(xiang)同(tong)的(de)優(you)勢(shi)。在(zai)高(gao)瞬(shun)態(tai)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)事(shi)件(jian)期(qi)間(jian)，通(tong)過(guo) MPS 二極管的電壓會超過內置 P-N 二極管的開啟電壓，從而開始以更低的差分電阻傳導。這可以轉移電流，同時限製耗散的功率，並緩解 MPS 二極管的熱應力。如果隻使用肖特基二極管
，而不使用 P-N 二極管
，則必須使用尺寸明顯超規格的肖特基二極管，以允許目標應用中出現瞬時過流事件。為限製過流，可並聯連接器件（或添加額外電路）
，但這會增加成本。同樣
， P 阱的尺寸和摻雜需要在正向壓降（正常運行期間）與浪湧承受能力之間進行權衡。具體優化選擇取決於應用， Nexperia（安世半導體）提供適合各種硬開關和軟開關應用的二極管。

MPC 二極管的反向恢複特性

除了具有更出色的靜態特性， SiC MPS 二極管在動態開關操作期間也具備諸多優點。其與矽基 P-N 二(er)極(ji)管(guan)相(xiang)比(bi)的(de)一(yi)個(ge)顯(xian)著(zhu)優(you)勢(shi)與(yu)反(fan)向(xiang)恢(hui)複(fu)特(te)性(xing)有(you)關(guan)。反(fan)向(xiang)恢(hui)複(fu)電(dian)荷(he)是(shi)造(zao)成(cheng)矽(gui)快(kuai)速(su)恢(hui)複(fu)二(er)極(ji)管(guan)功(gong)率(lv)損(sun)耗(hao)的(de)一(yi)個(ge)主(zhu)要(yao)原(yuan)因(yin)，因(yin)此(ci)對(dui)轉(zhuan)換(huan)器(qi)效(xiao)率(lv)會(hui)有(you)不(bu)利(li)影(ying)響(xiang)。影(ying)響(xiang)反(fan)向(xiang)恢(hui)複(fu)電(dian)荷(he)的(de)參(can)數(shu)有(you)很(hen)多(duo)
，包(bao)括(kuo)二(er)極(ji)管(guan)關(guan)斷(duan)電(dian)流(liu)和(he)結(jie)溫(wen)。相(xiang)比(bi)之(zhi)下(xia)
，隻(zhi)有(you)多(duo)數(shu)載(zai)流(liu)子(zi)才(cai)會(hui)影(ying)響(xiang) SiC 二極管的總電流


，這意味著 SiC 二極管能夠表現出幾乎恒定的行為，幾乎不會有矽快速恢複二極管的非線性性能。因此，功率設計人員更容易預測出 SiC 的行為，因為他們無需考慮各種環境溫度和負載條件。

創新的“薄型 SiC ”二極管結構可進一步提高 MPS 二極管的性能

Nexperia（安世半導體）的 MPS 二極管在製造過程中減少了芯片厚度，因此具有額外的優勢。未經過處理的 SiC 襯底為 N 摻雜襯底，並會生長出 SiC 外延層
，以形成漂移區。襯底最初的厚度可達500 µm ，但(dan)在(zai)外(wai)延(yan)後(hou)，這(zhe)會(hui)給(gei)背(bei)麵(mian)金(jin)屬(shu)的(de)電(dian)流(liu)和(he)熱(re)流(liu)路(lu)徑(jing)增(zeng)加(jia)額(e)外(wai)的(de)電(dian)阻(zu)和(he)熱(re)阻(zu)。因(yin)此(ci)，給(gei)定(ding)電(dian)流(liu)下(xia)的(de)正(zheng)向(xiang)壓(ya)降(jiang)和(he)結(jie)溫(wen)也(ye)會(hui)變(bian)得(de)更(geng)高(gao)。針(zhen)對(dui)該(gai)問(wen)題(ti)
， Nexperia（安世半導體）的解決方案就是將襯底的底麵“磨薄”。在此工序中，材料質量和研磨精度至關重要
，以避免厚度不均勻，進而降低二極管的性能（這會導致現場應用中的器件故障）。此外，由於 SiC 的硬度更高（莫氏硬度等級為9.2至9.3


，而矽的硬度等級為6.5），需要采用先進的製造技術。圖3顯示了該工藝的效果，通過使用 Nexperia（安世半導體）的“薄型 SiC ”技術將襯底厚度減少到原來的三分之一。

圖3：與標準的 SiC 二極管結構（左）相比
， Nexperia（安世半導體）的“薄型 SiC ”工藝（右）可提高二極管的電氣性能和熱性能。

因此
，從結點到背麵金屬的熱阻顯著降低，從而降低器件的工作溫度，提高器件的可靠性（由於具備更高的浪湧電流穩健性），並降低正向壓降。

總結

可用 SiC 肖特基二極管的數量和類型不斷增加，包括使用傳統結構的 SiC 肖特基二極管和使用更先進的 MPS 結構的 SiC 肖特基二極管。Nexperia（安世半導體）的新型 SiC 肖特基二極管集成了寬帶隙半導體材料（碳化矽）的優點
、 MPS 器件結構及其“薄型 SiC ”技術帶來的額外優勢。憑借其在工藝開發和器件製造方麵的專業知識
， Nexperia（安世半導體）能夠進一步提高這款新產品的性能
，使其在當今 SiC 二極管市場中始終保持領先地位。

關於作者：Sebastian Fahlbusch

Sebastian 在電力電子領域擁有十多年的經驗，尤其是在碳化矽（SiC）和寬帶隙技術方麵。他成功地在漢堡聯邦國防軍大學完成了有關使用 SiC-MOSFET 的新型多級功率轉換器構想的博士學位論文。Sebastian 於2019年加入 Nexperia（安世半導體）的產品應用工程師團隊，他的主要工作重點是為實現新電源產品提供支持
，以強化 Nexperia（安世半導體）的功率產品組合。

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片
、文字如涉及作品版權問題
，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

如何在電壓不穩的情況下保障SSD的穩定性能？

使用 M5Stack 內核控製基於電位器的伺服電機

自加熱Vbe 晶體管恒溫器無需校準

反向電流阻斷電路設計

優化移動天線調諧的簡易方法