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@@188金宝搏@@ 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@@@@。
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@@。
总结@@@@
可用@@ SiC 肖特基@@二极管@@@@的@@数量和@@类型不断增加@@，包括使用传统结@@构的@@@@@@ SiC 肖特基@@二极管@@@@和@@使用更先进的@@@@ MPS 结@@构的@@@@ SiC 肖特基@@二极管@@@@。Nexperia（安世半导体@@）的@@新型@@ SiC 肖特基@@二极管@@@@集成了宽带隙半导体材料@@（碳化硅@@）的@@优点@@、 MPS 器件结@@构及其@@“薄型@@ SiC ”技术@@带来的@@额外优势@@。凭借其在工艺@@开发和@@器件制造方面的@@专业知识@@， Nexperia（安世半导体@@）能够进一步提高@@这款新产品的@@性能@@，使其在当今@@ SiC 二极管@@市场中始终保持领先地位@@。
关于@@作者@@：Sebastian Fahlbusch
Sebastian 在电力电子@@领域拥有十多年的@@经验@@，尤其是在碳化硅@@@@（SiC）和@@宽带隙技术@@方面@@。他成功地在汉堡联邦国防军大学完成了有关使用@@ SiC-MOSFET 的@@新型@@多级功率转换器构想的@@博士学位论文@@。Sebastian 于@@2019年加入@@ Nexperia（安世半导体@@）的@@产品应用工程师团队@@，他的@@主要工作重点是为实现新电源产品提供支持@@，以强化@@ Nexperia（安世半导体@@）的@@功率产品组合@@。