碳化硅肖特基二极管

一、碳化硅肖特基二极管

肖特基二极管是以其发明人肖特基博士（Schottky）命名的，SBD是肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode,缩写成SBD）的简称。SBD不是利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的，而是利用金属与半导体交接处形成空间电荷区和自建电场。在外加电压为零时，载流子的扩散运动与反向的漂移运动达到动态平衡，这时金属与N型4H-SiC半导体交界处形成一个接触势垒，这就是肖特基势垒。肖特基二极管就是依据此原理制作而成。因此，SBD也称为金属－半导体（接触）二极管或表面势垒二极管，它是一种热载流子二极管。由于它的这种特殊结构，使其具有如下不同寻常的特性：

碳化硅肖特基二极管比PN结器件的行为特性更像一个理想的开关。肖特基二极管最重要的两个性能指标就是它的低反向恢复电荷和它的恢复软化系数。

低反向恢复电荷在二极管电压换成反向偏置时，关闭过程所需时间，即反向恢复时间trr大大缩短。便于用于高频运行，快速且不受温度影响的开关，减少开关损耗。高软化系数会减少二极管关闭所产生的EMI噪音，降低换向操作干扰。

碳化硅肖特基二极管还有个比PN结器件优越的指标是正向导通电压低，具有低的导通损耗。但也有两个缺点，一是反向耐压VR较低，一般只有100V左右;二是反向漏电流IR较大，实务设计上需注意其热失控的隐忧。

二、碳化硅功率器件

SiC（碳化硅）是一种由Si（硅）和C（碳）构成的化合物半导体材料。不仅绝缘击穿场强是Si的10倍，带隙是Si的3倍，而且在器件制作时可以在较宽范围内控制必要的p型、n型，所以被认为是一种超越Si极限的功率器件材料。SiC中存在各种多型体（结晶多系），它们的物性值也各不相同。

碳化硅SiC的能带间隔为硅的2.8倍(宽禁带),达到3.09电子伏特。其绝缘击穿场强为硅的5.3倍,高达3.2MV/cm.，其导热率是硅的3.3倍,为49w/cm.k。

它与硅半导体材料一样，可以制成结型器件、场效应器件、和金属与半导体接触的肖特基二极管。也能够以高频器件结构的多数载流子器件去实现高耐压，从而同时实现高耐压、低导体电阻、高频这三个特性。

其优点是：

1. 碳化硅单载流子器件漂移区薄，开态电阻小。比硅器件小100-300倍。由于有小的导通电阻，碳化硅功率器件的正向损耗小。

2. 碳化硅功率器件由于具有高的击穿电场而具有高的击穿电压。例如，商用的硅肖特基的电压小于300V，而第一个商用的碳化硅肖特基二极管的击穿电压已达到600V。

3. 碳化硅有高的热导率，因此碳化硅功率器件有低的结到环境的热阻。

4. 碳化硅器件能工作在高温，碳化硅器件已有工作在600°C的报道，而硅器件的最大工作温度仅为150°C。

5. 碳化硅具有很高的抗辐照能力。

6. 碳化硅功率器件的正反向特性随温度和时间的变化很小，可靠性好。

7. 碳化硅器件具有很好的反向恢复特性，反向恢复电流小，开关损耗小。碳化硅功率器件可工作在高频(>20KHz)。

8. 碳化硅器件为减少功率器件体积和降低电路损耗作出了重要贡献。

三、碳化硅肖特基二极管优势

碳化硅肖特基二极管是一种单极型器件，采用结势垒肖特基二极管结构（JBS），因此相比于传统的硅快恢复二极管（Si FRD），碳化硅肖特基二极管具有理想的反向恢复特性。由于SBD是一种多数载流子导电器件，不存在少数载流子寿命和反向恢复问题。在器件从正向导通向反向阻断转换时，几乎没有反向恢复电流，反向恢复实际小于20ns，甚至600V/10A的碳化硅肖特基二极管的反向恢复时间在10ns以内。因此碳化硅肖特基二极管可以工作在更高频率，在相同频率下具有更高的效率。

由于存在肖特基势垒，SBD具有较低的结势垒高度。因此，SBD具有低正向电压的优势。碳化硅肖特基二极管的出现将SBD的应用范围从250V提高到1200V。同时，其高温特性好，从室温到由管壳限定的175℃，反向漏电流几乎没有增加，可以有效降低反向漏电流，具备更好的耐高压能力。

另一个重要的特点是碳化硅肖特基二极管具有正的温度系数，随着温度的上升电阻也逐渐上升，这与硅FRD正好相反。这使得碳化硅肖特基二极管非常适合并联实用，增加了系统的安全性和可靠性。

概括碳化硅肖特基二极管的主要优势，有如下特点：

1. 有比超快恢复更高的开关速度，几乎无开关损耗，更高的开关频率，更高的效率。

2. 有比肖特基更高的反向电压，更小的反向漏电。

3. 更高的工作温度，反向漏电几乎不受温度影响。

4. 正的温度系数，适合于并联工作，解决并联导致可靠性下降难题。

5. 开关特性几乎与温度无关，更加稳定。

正由于碳化硅肖特基二极管具有以上这些特性，被广泛应用于开关电源、功率因素校正（PFC）电路、不间断电源（UPS）、光伏逆变器等中高功率领域。在PFC电路中用碳化硅SBD取代原来的硅FRD，可使电路工作在300kHz以上，效率基本保持不变，而相比下使用硅FRD的电路在100kHz以上的效率急剧下降。随着工作频率的提高，电感等无源原件的体积相应下降，整个电路板的体积下降30%以上。可显著减少电路的损耗，提高电路的工作频率。

四、碳化硅肖特基二极管的重要参数

肖特基二极管应用广泛，特别是在开关电源当中。在不同的应用中，需要考虑不同的因素，而且，不同的器件在性能上也有差别，因此，在选用肖特基二极管时，下面这些参数需要综合考虑。

1. 导通压降VF

VF为二极管正向导通时二极管两端的压降，当通过二极管的电流越大，VF越大;当二极管温度越高时，VF越小。

2. 反向饱和漏电流IR

IR指在二极管两端加入反向电压时，流过二极管的电流，反向饱和电流的大小决定了二极管自身的损耗，反向饱和电流越大，二极管的功耗越大，器件本体发热越严重，因此反向饱和电流直接影响二极管的可靠性，其值越小越好。

3. 额定电流IF

指二极管长期运行时，根据允许温升折算出来的平均电流值。

4. 最大浪涌电流IFSM

允许流过的过量的正向电流。它不是正常电流，而是瞬间电流，这个值越大，抗冲击浪涌能力越强。

5. 最大反向峰值电压VRM

即使没有反向电流，只要不断地提高反向电压，迟早会使二极管损坏。这种能加上的反向电压，不是瞬时电压，而是反复加上的正反向电压。因给整流器加的是交流电压，它的最大值是规定的重要因子。最大反向峰值电压VRM指为避免击穿所能加的最大反向电压。目前肖特基最高的VRM值为150V。

6. 最大直流反向电压VR

上述最大反向峰值电压是反复加上的峰值电压，VR是连续加直流电压时的值。用于直流电路，最大直流反向电压对于确定允许值和上限值是很重要的。

7. 最高工作频率fM

由于PN结的结电容存在，当工作频率超过某一值时，它的单向导电性将变差。肖特基二极管的fM值较高，最大可达100GHz。

8. 反向恢复时间Trr

当工作电压从正向电压变成反向电压时，二极管工作的理想情况是电流能瞬时截止。实际上，一般要延迟一点点时间。决定电流截止延时的量，就是反向恢复时间。虽然它直接影响二极管的开关速度，但不一定说这个值小就好。也即当二极管由导通突然反向时，反向电流由很大衰减到接近IR时所需要的时间。大功率开关管工作在高频开关状态时，此项指标至为重要。

9. 最大耗散功率P

二极管中有电流流过，就会吸热，而使自身温度升高。在实际中外部散热状况对P也是影响很大。具体讲就是加在二极管两端的电压乘以流过的电流加上反向恢复损耗。

五、碳化硅肖特基二极管应用

1. 太阳能逆变器

太阳能发电用二极管的基本材料，碳化硅二极管的各项技术指标均优于普通双极二极管(silicon bipolar)技术。碳化硅二极管导通与关断状态的转换速度非常快，而且没有普通双极二极管技术开关时的反向恢复电流。在消除反向恢复电流效应后，碳化硅二极管的能耗降低70%，能够在宽温度范围内保持高能效，并提高设计人员优化系统工作频率的灵活性。

2. 开关电源

碳化硅的使用可以极快的切换，高频率操作，零恢复和温度无关的行为，再加我们的低电感RP包，这些二极管可以用在任向数量的快速开关二极管电路或高频转换器应用。

3. 新能源汽车充电器

碳化硅二极管通过汽车级产品测试，极性接反击穿电压提高到650V，能够满足设计人员和汽车厂商希望降低电压补偿系数的要求，以确保车载充电半导体元器件的标称电压与瞬间峰压，之间有充足的安全裕度。二极管的双管产品，可最大限度提升空间利用率，降低车载充电器的重量。

4. 功率因数校正

较短的反向恢复和正向恢复时间;最小的储存电荷Q;低的漏电流和最低的开关损耗。过压和浪涌电流能力非常重要，它们能够用来处理PFC中由启动和交流回落引起的浪涌和过电流。