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碳化硅肖特基二极管 |
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SiC PiN 的击穿电压很高,开关速度很快,重量很轻,并且体积很小,它在 3KV以上的整流器应用领域更加具有优势。2000年Cree公司研制出19.5 KV的台面PiN二极管,同一时期日本的 Sugawara 研究室也研究出了 12 KV 的台面 PiN 二极管。2005 年 Cree 公司报道了 10 KV、3.75 V、50 A 的 SiC PiN 二极管,其 10 KV/20 A PiN二极管系列的合格率已经达到 40%。
SiC 肖特基势垒二极管在 1985 年问世,是 Yoshida 制作在 3C-SiC 上的,它的肖特基势垒高度用电容测量是 1.15 (±0.15) eV,用光响应测量是 1.11 (±0.03) eV,它的击穿电压只有8 V,只6H-SiC肖特基二极管的击穿电压大约有200 V,它是由 Glover. G. H 报道出来的。Bhatnagar 报道了个高压 400 V 6H-SiC 肖特基势垒二极管 ,这个二极管有低通态压降(1 V),没有反向恢复电流。随着碳化硅单晶、外延质量及碳化硅工艺水平不断地不断提高,越来越多性能的碳化硅肖特基二极管被报道。1993 年报道了只击穿电压超过 1000V的碳化硅肖特基二极管,该器件的肖特基接触金属是 Pd,它采用 N 型外延的掺杂浓度1×10cm,厚度是 10μm。的4H-SiC单晶的在 1995 年左右出现,它比6H-SiC的电子迁移率要高,临界击穿电场要大很多,这使得人们更倾向于研究4H-SiC的肖特基二极管。
国内的SiC功率器件研究方面因为受到 SiC 单晶材料和外延设备的限制起步比较晚,但是却紧紧跟踪国外碳化硅器件的发展形势。国家十分重视碳化硅材料及其器件的研究, 在国家的大力支持下经已经初步形成了研究 SiC 晶体生长、SiC器件设计和制造的队伍。电子科技大学致力于器件结构设计方面,在新结构、器件结终端和器件击穿机理方面做了很多的工作,并且提出宽禁带半导体器件优值理论和宽禁带半导体功率双极型晶体管特性理论。
功率二极管是功率半导体器件的重要组成部分,主要包括 PiN 二极管,肖特基势垒二极管和结势垒控制肖特基二极管。本章主要介绍了肖特基势垒的形成及其主要电流输运机理。并详细介绍了肖特基二极管和结势垒控制肖特基二极管的电学特性及其工作原理,为后两章对 4H-SiC JBS 器件电学特性的仿真研究奠定了理论基础。
肖特基二极管的反向阻断特性较差,是受肖特基势垒变低的影响。为了获得高击穿电压,漂移区的掺杂浓度很低,因此势垒形成并不求助于减小 PN 结之间的间距。调整肖特基间距获得与 PiN 击穿电压接近的 JBS,但是 JBS 的高温漏电流大于 PiN,这是来源于肖特基区。JBS 反向偏置时,PN 结形成的耗尽区将会向沟道区扩散和交叠,从而在沟道区形成一个势垒,使耗尽层随着反向偏压的增加向衬底扩展。这个耗尽层将肖特基界面屏蔽于高场之外,避免了肖特基势垒降低效应,使反向漏电流密度大幅度减小。此时 JBS 类似于 PiN 管。反向漏电流的组成主要由两部分:一是来自肖特基势垒的注入;二是耗尽层产生电流和扩散电流。
产生二次击穿的原因主要是半导体材料的晶格缺陷和管内结面不均匀等引起的。二次击穿的产生过程是:半导体结面上一些薄弱点电流密度的增加,导致这些薄弱点上的温度增加引起这些薄弱点上的电流密度越来越大,温度也越来越高,如此恶性循环引起过热点半导体材料的晶体熔化。此时在两电极之间形成较低阻的电流通道,电流密度骤增,导致肖特基二极管还未达到击穿电压值就已经损坏。因此二次击穿是不可逆的,是破坏性的。流经二极管的平均电流并未达到二次击穿的击穿电压值,但是功率二极管还是会产生二次击穿。
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