SiC SBD：第三代半導(dǎo)體的破局者

碳化硅(SiC)功率器件在高壓和高溫應(yīng)用中展現(xiàn)出卓越的效率與性能，而傳統(tǒng)硅基器件在這些領(lǐng)域則面臨物理極限。

在各類SiC器件中，肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)被公認(rèn)為最早問(wèn)世的SiC功率器件，相關(guān)研究可追溯至1974年¹。SBD很快便實(shí)現(xiàn)了廣泛的商業(yè)化應(yīng)用，尤其在電動(dòng)汽車牽引逆變器和可再生能源裝置等電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中。

SiC肖特基勢(shì)壘物理原理

與依賴P型和N型半導(dǎo)體結(jié)的PN結(jié)二極管不同，SBD通過(guò)金屬-半導(dǎo)體接觸形成整流勢(shì)壘。當(dāng)金屬觸點(diǎn)與輕摻雜的N型半導(dǎo)體接觸時(shí)，會(huì)形成一個(gè)耗盡區(qū)及相應(yīng)的勢(shì)壘。勢(shì)壘高度(對(duì)于SiC肖特基二極管通常為0.8至1.2eV)決定了器件的諸多電學(xué)特性。

與電子和空穴均參與導(dǎo)電的PN結(jié)二極管不同，肖特基二極管(圖1)是一種多數(shù)載流子(單極型)器件，幾乎沒有少數(shù)載流子注入。這消除了存儲(chǔ)電荷效應(yīng)，使其開關(guān)速度遠(yuǎn)超PN結(jié)二極管。

圖1：SBD的基本結(jié)構(gòu)。(來(lái)源：東芝³)

SiC的禁帶寬度約為3.25eV，遠(yuǎn)大于硅(Si)的1.1eV，這使得在相同漂移區(qū)厚度下，SiC的擊穿電壓顯著更高。SiC的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)2MV/cm，約為硅的十倍²。這意味著，SiC器件僅需十分之一厚度的漂移區(qū)即可達(dá)到與同等硅器件相同的擊穿電壓，從而大幅降低導(dǎo)通電阻。

SiC兼具肖特基二極管固有的快速開關(guān)特性與優(yōu)異的材料特性，可開發(fā)出同時(shí)具備低導(dǎo)通損耗和極低開關(guān)損耗的器件。

SiC的另一大優(yōu)勢(shì)在于其卓越的熱管理性能，其熱導(dǎo)率約為硅的三倍(4.2W/cm·K對(duì)比1.48W/cm·K)²。此外，SiC的寬禁帶使其能夠在超過(guò)175℃的結(jié)溫下工作。這些優(yōu)異的熱性能降低了對(duì)冷卻系統(tǒng)的要求，并提升了在關(guān)鍵和高要求應(yīng)用中的可靠性。

當(dāng)施加外部電壓時(shí)，N型SiC漂移區(qū)的電子會(huì)越過(guò)肖特基勢(shì)壘流入金屬陽(yáng)極。由于沒有少數(shù)載流子(空穴)注入，結(jié)區(qū)內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生電荷存儲(chǔ)。

耗盡區(qū)從金屬-半導(dǎo)體界面延伸至SiC漂移層。得益于較高的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)，在相同擊穿電壓下，SiC的該漂移層可以比硅的更薄，且摻雜濃度更高。

與傳統(tǒng)硅SBD相比的優(yōu)勢(shì)

硅基SBD雖能實(shí)現(xiàn)極快的響應(yīng)速度，但受限于漏電流和較低的擊穿強(qiáng)度，其工作電壓通常低于200V。

相比之下，SiC SBD具有以下優(yōu)勢(shì)：

• 高電壓額定值：Si SBD僅適用于低電壓場(chǎng)景，而SiC SBD的商用產(chǎn)品電壓額定值可達(dá)數(shù)千伏。
• 導(dǎo)熱性：SiC的高熱導(dǎo)率使其散熱性能更佳，散熱器尺寸也更小。
• 溫度穩(wěn)定性：SiC SBD可在高達(dá)175℃的結(jié)溫T_j下工作(理論上可更高)，而不會(huì)像硅基器件那樣出現(xiàn)漏電流激增的情況。
• 正溫度系數(shù)：SiC SBD的正向壓降(V_F)隨溫度升高而升高。換言之，在相同V_F下，結(jié)溫升高會(huì)導(dǎo)致正向電流減小。這使得并聯(lián)操作變得安全便捷，因?yàn)闇囟容^高的二極管會(huì)自然地將電流“推”向溫度較低的二極管，從而防止熱失控。⁴

MPS和JBS架構(gòu)

傳統(tǒng)的SiC SBD雖然開關(guān)速度快、反向恢復(fù)電流低，但在高電壓和高溫下工作時(shí)，通常存在反向漏電流大和浪涌電流承受能力有限的問(wèn)題。

為解決這些局限，業(yè)界提出了合并式PiN肖特基(MPS)和結(jié)勢(shì)壘肖特基(JBS)架構(gòu)，通過(guò)在N型漂移層中引入P型區(qū)域(P+注入)來(lái)實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)在肖特基接觸上形成了額外的PN結(jié)。

在正向偏置下，電流主要流經(jīng)低勢(shì)壘的肖特基區(qū)域，從而保持較低的V_F和快速開關(guān)。然而，在反向偏置或大電流浪涌期間，PN結(jié)會(huì)阻斷電流泄漏路徑，從而降低反向漏電流并增強(qiáng)抗浪涌電流能力。

市售SiC SBD

本節(jié)將探討幾款市售的SiC SBD，涵蓋不同的電壓和電流額定值，并分析制造商如何針對(duì)特定應(yīng)用優(yōu)化其設(shè)計(jì)。

Wolfspeed

Wolfspeed是SiC技術(shù)的先驅(qū)，提供一系列額定電壓從600V到1700V的SiC肖特基二極管，適用于功率整流器和需要反向電流保護(hù)的工業(yè)電路。

例如，C3D10065A是一款第三代650V SiC肖特基二極管，額定連續(xù)正向電流為10A。該器件在10A和25℃下的最大V_F為1.8V；得益于SiC的正溫度系數(shù)特性，在175℃時(shí)該壓降會(huì)增至約2.4V。

C3D10065A采用TO-220-2封裝，典型結(jié)殼熱阻為1.1℃/W。由于SiC肖特基二極管是多數(shù)載流子器件，不存在反向恢復(fù)電荷(Q_rr)，因此可實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)操作(圖2)。

圖2：Wolfspeed C3D10065A SiC肖特基二極管的反向特性。(來(lái)源：Wolfspeed)

這些肖特基二極管(SBD)采用MPS技術(shù)，具備高浪涌耐受能力。該器件還采用了JBS結(jié)構(gòu)，利用肖特基接觸下方的P型區(qū)域屏蔽結(jié)區(qū)，從而在高溫下抑制漏電流。

英飛凌

英飛凌科技的CoolSiC系列肖特基二極管包含三個(gè)主要產(chǎn)品系列，額定電壓分別為650V、1200V和2000V。IDH10G65C5肖特基二極管屬于650V G5系列，其額定電壓和電流與前文提及的Wolfspeed器件相似，但優(yōu)化重點(diǎn)有所不同。

這款650V、10A的器件在額定電流和環(huán)境溫度下實(shí)現(xiàn)了1.7V的較低最大V_F。該器件采用英飛凌專有的MPS結(jié)構(gòu)，集成了僅在浪涌電流條件下激活的PN結(jié)器件。這種設(shè)計(jì)在正常工作時(shí)提供類似肖特基二極管的性能，同時(shí)在故障情況下提供更高的耐用性。

熱特性方面，該器件在TO-220-2封裝中的典型結(jié)殼熱阻為1.0K/W，且在整個(gè)溫度范圍內(nèi)都能穩(wěn)定工作，避免了硅肖特基二極管在高溫下常見的熱失控問(wèn)題。

該器件采用了英飛凌thinQ!第五代技術(shù)，結(jié)合了英飛凌專有的擴(kuò)散焊接工藝(最初應(yīng)用于第三代產(chǎn)品)、更緊湊的架構(gòu)和薄晶圓制造技術(shù)。通過(guò)晶圓減薄工藝，在不影響質(zhì)量或良率的情況下，將晶圓厚度減至原來(lái)的三分之一左右。這種減薄降低了襯底的電阻影響，并提高了浪涌電流的魯棒性(圖3)。

圖3：英飛凌專有的薄晶圓技術(shù)使芯片更薄，從而降低襯底電阻。(來(lái)源：英飛凌)

意法半導(dǎo)體(ST)

針對(duì)更大功率的應(yīng)用，ST提供STPSC20H12-Y，這是一款額定電壓1200V、連續(xù)電流20A的器件。其最大V_F在20A和25℃時(shí)為1.5V，在20A和150℃時(shí)為2.25V。ST在其最新一代SiC肖特基二極管中采用了MPS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高浪涌保護(hù)、低V_F和更佳的熱穩(wěn)定性。

該器件提供TO-220AC、D²PAK和D²PAK HV封裝，典型結(jié)殼熱阻為0.3℃/W。STPSC20H12-Y符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)，支持-40℃至+175℃的工作結(jié)溫，非常適合車載充電器和PFC電路等汽車和工業(yè)領(lǐng)域的硬開關(guān)應(yīng)用。

羅姆半導(dǎo)體(ROHM)

羅姆半導(dǎo)體推出了SCS2xxxNHR系列SMD SiC SBD，該系列通過(guò)增加端子間的爬電距離來(lái)提高絕緣電阻。該系列提供650V和1200V兩種電壓規(guī)格，覆蓋了電動(dòng)汽車(xEV)應(yīng)用中廣泛使用的400V系統(tǒng)，包括車載充電器(OBC)、電動(dòng)汽車充電器、DC/DC轉(zhuǎn)換器和無(wú)線充電器。

這些器件采用了一種新結(jié)構(gòu)(圖4)，取消了封裝底部的中心引腳，從而將爬電距離增至至少5.1mm，約為標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)的1.3倍。這降低了端子間發(fā)生爬電放電的風(fēng)險(xiǎn)，并且在高壓應(yīng)用中進(jìn)行表面貼裝時(shí)，無(wú)需使用樹脂灌封作為絕緣措施。

圖4：SCS2xxxNHR系列具有更大的爬電距離。(來(lái)源：ROHM)

Bourns

Bourns提供豐富的SiC SBD產(chǎn)品線，適用于整流應(yīng)用，額定電壓分別為650V和1200V，封裝形式包括TO220-2、TO247-3、TO252和DFN8×8。其中，BSDH10G65E2 SiC肖特基二極管憑借其高峰值正向浪涌能力、低V_F、低熱阻和低功率損耗，尤其適用于高要求電源應(yīng)用。

這款650V/10A SiC SBD采用TO-220-2封裝，在25℃/10A條件下最大V_F為1.7V，在175℃/10A條件下為2.3V(圖5)。該器件的典型應(yīng)用包括開關(guān)電源、功率因數(shù)校正級(jí)、光伏逆變器、DC-DC轉(zhuǎn)換器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

圖5：BSDH10G65E2的典型正向特性。(來(lái)源：Bourns)

東芝(Toshiba)

東芝第三代SiC SBD提供650V和1200V兩種額定值，采用JBS結(jié)構(gòu)，具有低漏電流和強(qiáng)大的浪涌電流性能，適用于開關(guān)電源。

TRS10H120H是一款1200V/10A的SiC SBD，采用TO-247-2L封裝。該器件具有低V_F(典型值1.27V)、低Q_c(典型值61nC)和低I_R(典型值1.0µA)的優(yōu)勢(shì)。該SBD采用東芝改進(jìn)的JBS結(jié)構(gòu)，提高了浪涌電流能力，適用于功率因數(shù)校正、太陽(yáng)能逆變器、不間斷電源(UPS)和DC-DC轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用。

安森美(onsemi)

安森美的EliteSiC產(chǎn)品系列提供多款基于MPS技術(shù)的SiC二極管，額定電壓分別為650V、1200V和1700V。例如，F(xiàn)FSH40120ADN-F085是一款1200V、40A的雙二極管，采用TO-247-3L封裝，具有共陰極結(jié)構(gòu)。

該SBD符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)，最高結(jié)溫可達(dá)175℃，非常適合混合動(dòng)力汽車(HEV)車載充電器和HEV DC/DC轉(zhuǎn)換器等汽車應(yīng)用。

納微半導(dǎo)體(Navitas)

納微半導(dǎo)體的GeneSiC MPS二極管設(shè)計(jì)融合了PiN和肖特基二極管結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了低V_F、高浪涌電流承受能力以及極低的與溫度無(wú)關(guān)的開關(guān)損耗。專有的薄芯片技術(shù)(圖6)進(jìn)一步降低了V_F，并改善了散熱，從而實(shí)現(xiàn)更低的運(yùn)行溫度。

圖6：Navitas GeneSiC MPS二極管的結(jié)構(gòu)，其中包含注入到漂移區(qū)的額外P型摻雜阱。(來(lái)源：Navitas⁵)

GeneSiC肖特基二極管提供650V、1200V、1700V和3300V四種額定電壓規(guī)格。GD2X25MPS17N是一款高壓1700V/50A MPS，采用SOT-227封裝。該肖特基二極管基于Navitas Gen4薄芯片技術(shù)制造，在25A/25℃條件下最大V_F為1.8V，非常適用于電動(dòng)汽車快速充電器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能逆變器、電源、高頻整流器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

¹ SiCLAB, Rutgers University, and NASA Glenn Research Center, “Silicon Carbide Schottky Barrier Diode”

² Bourns, Inc., “Comparing Silicon Carbide Schottky Diodes to Silicon Diodes in Power Conversion Designs”

³ Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation, “Schottky Barrier Diodes (SBDs)”

⁴ Bourns, Inc., “Performance Differences Between SiC and Silicon-based Diodes in Meeting Efficiency and Density Requirements”

⁵ Navitas Semiconductor, “Silicon Carbide MPS Diodes Boost Efficiency and Reliability”

(原文刊登于EE Times姊妹網(wǎng)站Power Electronics News，參考鏈接：SBD: When Silicon Carbide (SiC) Began to Shine，由Franklin Zhao編譯。)

本文為《電子工程專輯》2026年7月刊雜志文章，版權(quán)所有，禁止轉(zhuǎn)載。免費(fèi)雜志訂閱申請(qǐng)點(diǎn)擊這里。