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。
金属与半导体接触时,载流子流经肖特基势垒形成的电流主要有四种输运途径。这四种输运方式为:
1、N 型 4H-SiC 半导体导带中的载流子电子越过势垒顶部热发射到金属;
2、N 型 4H-SiC 半导体导带中的载流子电子以量子力学隧穿效应进入金属;
3、空间电荷区中空穴和电子的复合;
4、4H-SiC 半导体与金属由于空穴注入效应导致的的中性区复合。
碳化硅作为一种宽禁带半导体材料,比传统的硅基器件具有更的性能。碳化硅的宽禁带(3.26eV)、高临界场(3×106V/cm)和高导热系数(49W/mK)使功率半导体器件效率更高,运行速度更快,能够有效降低产品成本、体积及重量。
碳化硅具有载流子饱和速度高和热导率大的特点,应用开关频率可达到1MHz,在高频应用中优势明显,其中碳化硅肖特基二极管(SiC JBS)耐压可以达到6000V以上。相对应的,硅材料的禁带宽度较低,在较低的温度下硅器件本征载流子浓度较高,而高的漏电流会造成热击穿,这限制了器件在高温环境和大功率耗散条件下工作。
用碳化硅肖特基二极管替换快速PN 结的快速恢复二极管(FRD),能够明显减少恢复损耗,有利于开关电源的高频化,减小电感、变压器等被动元件的体积,使开关电源小型化,并降低产品噪音。
碳化硅肖特基二极管的开启导通电压比硅快速恢复二极管较低,如果要降低VF值,需要减薄肖特基势垒的高度,但这会使器件反向偏压时的漏电流增大。碳化硅肖特基二极管的温度特性与硅快速恢复二极管不同,当温度升高时导通阻抗会增加,VF值也上升,这样器件发热不易发生热失控,更适合并联使用。