碳化硅功率PiN二極管

  采用傳統(tǒng)的硅半導體材料制作的高壓PiN整流二極管，只能在低于20kHz和120℃的條件下使用，這就極大地制約了整流二極管在先進電力網(wǎng)(也稱電力設備)、能量儲備、脈沖電源智能機械和超高電壓固態(tài)電源中的應用，因為這些應用需要高壓、高頻和高溫二極管來保證系統(tǒng)尺寸達到合理的要求。SIC PIN二極管在這類高壓應用中扮演了一個重要的角色，因為它具有高于Si器件2~3個數(shù)量級的開關速度、高結溫承受能力、高電流密度和更高的功率密度。
 
  SiC材料的特性提高了SiC PIN二極管的性能，其中包括(與Si相比):
  ①擊穿電場提高了1個數(shù)量級;
  ②三倍高的禁帶寬度;
  ③高于硅三倍的熱導率。
  高的擊穿電場使設計SiC功率器件時可以采用更薄且摻雜濃度更高的阻擋層。更大的禁帶寬度使器件擁有更高的工作溫度和更好的抗輻射能力。SiC的高熱導率(4.9℃/W)能將器件上的熱量迅速吸取并散發(fā)出去，因此，對于一定的結溫，器件可以獲得更大的功率。但是，由于SiC的禁帶寬度大于Si，使得SiC雙極二極管的內(nèi)建電壓比Si器件高三倍。然而，由于導通壓降隨溫度上升而減小，工作在500℃的SIC PIN二極管與工作在室溫下的SI PIN二極管相比，壓降差減小到一半左右。SiC材料一個非常重要的特性是間接帶隙(與GaN相反，GaN是直接帶隙)，因此使用質量很高的材料制作的雙極器件，間接帶隙有高的載流子復合壽命。
 
  SiC的寬禁帶使PiN二極管在500℃時的結漏電流幾乎可以忽略，這將使其允許在高溫條件下工作而不產(chǎn)生太大的漏電流或熱耗散。如果功率電子系統(tǒng)利用SiC二極管且設計用于工作在高溫情況，則此系統(tǒng)的散熱設備的尺寸和重量將大幅度減小甚至完全省略。
 
  為了提高能量轉換系統(tǒng)的效率并降低成本，進一步減小其體積和質量，就必須減小器件工作時產(chǎn)生的熱量。整流器中大部分的熱量是在開啟時或轉換瞬間產(chǎn)生的。與Si器件相同，SiC功率二極管可以被定義為多數(shù)載流子二極管(肖特基二極管)，而多數(shù)載流子二極管的開態(tài)導通特性取決于摻雜濃度和多數(shù)載流子的遷移率;少數(shù)載流子二極管(PiN二極管)則取決于電導調(diào)制。肖特基二極管有很高的開關速度，雖然在低電流密度下正向壓降很低，但在高電流密度時壓降的數(shù)量級會迅速增加。因為SiC功率二極管是設計用于高溫條件，所以正向壓降會呈指數(shù)量級增長;電壓阻擋層的開態(tài)電阻隨設計的擊穿電壓呈指數(shù)增長。另外，高電流密度工作時，雙極PiN二極管有低的正向壓降，但是相對于肖特基二極管有更高的開關損耗。應用工程師經(jīng)常會遇到選擇哪種SiC二極管適合在高溫條件下工作(肖特基二極管或PiN二極管)的情況，如果只考慮開啟壓降，圖1顯示了理想擊穿電壓(范圍為2~30kV)條件下的電流密度，其中橫軸為理想擊穿電壓，縱軸是電流密度。由于這種限制，PiN二極管可能比肖特基二極管更具吸引力，這是因為PiN二極管有更低的開啟電壓(V_F)。二極管的開關速度在其應用的特殊領域十分重要。如果載流子壽命改變，設計時經(jīng)常需要在開關電壓和開態(tài)壓降之間進行取舍。二極管的電流密度受商業(yè)化封裝技術限制，具有上限。傳統(tǒng)的功率器件封裝技術只能連續(xù)耗散250~400W/cm²。由于4H-SiC雙極器件的內(nèi)建電勢約為3V，因此最大連續(xù)電流也被限制在100~150A/cm²。

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