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第三代SiC肖特基势垒二极管:SCS3系列

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... 星河
2018-09-10
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介绍

ROHM推出了SiC肖特基势垒二极管(以下SiC SBD)的第三代产品“SCS3系列”。SCS3系列是进一步改善了第二代SiC SBD实现的当时业界最小正向电压,并大幅提高了抗浪涌电流性能的产品。我们就SCS3系列的特点、应用范围展望等,采访了负责开发的ROHM株式会社 功率元器件制造部 千贺 景先生。

-今年春天ROHM宣布推出SiC-SBD的第三代产品。后面我会问到第三代SiC-SBD的特点和相比上一代的优点,不过由于机会难得,能否请您首先介绍一下SiC-SBD的基础内容?说实话,我认为非常了解使用了SiC(碳化硅)这种半导体的二极管和晶体管的特点的人并不多。

是啊!2010年ROHM确立SiC功率元器件的一贯制生产体制,并开始SiC-SBD和SiC-MOSFET的量产。当时的情况是SiC-SBD属于在日本国内首创、SiC-MOSFET属于在全球首创。作为SiC功率元器件,SiC SBD在市场上开始流通是在二十世纪初,而SiC MOSFET则仅有5年左右的历史。

首先对SiC半导体材料的物理性质稍作说明。

SiC是在热、化学、机械方面都非常稳定的化合物半导体,对于功率元器件来说很重要的参数都非常优异。由于其绝缘击穿场强比Si高约10倍,因此确保耐压所需的膜的施主(donor)浓度高,膜厚可以做到很薄,从而可实现单位面积的电阻非常低的高耐压产品。其效果是可实现高耐压且高速开关性能优异的多数载流子(SBD、MOSFET等)。另外,与Si材料相比,还具有带隙宽约3倍,热导率高约3倍的特点。

-也就是说,相比Si,SiC对于提高可高速开关的多数载流子耐压性能来说是非常有利的半导体材料。

的确如此。我想以二极管为例详细进行说明。下图是SiC-SBDSi-SBDSi-PND的示意图,显示了电流流动的机理。

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SiC-SBD和Si-SBD都是肖特基势垒二极管,因此金属与n型半导体间形成的肖特基势垒接触结构基本相同,电流通过多数载流子的移动而流动。之所以SiC-SBD的厚度看起来较薄,是因为如前所述,确保耐压所需的膜厚较薄,因此可实现更低阻值。Si-PND由p型硅和n型硅的结结构组成,多数载流子和少数载流子均有助于导电。

SiC-SBD和Si-SBD都属于通过n型半导体中的多数载流子(电子)作用而工作的多数载流子,因此具有高速开关的特点。而且,SiC-SBD还实现了Si-SBD很难实现的高耐压。Si-SBD在实际应用中耐压极限大概为200V左右,而ROHM已经量产的SiC-SBD产品最高达1700V,并且还正在开发更高耐压的产品。

Si-PND属于少数载流子,可同时实现远超Si-SBD的高耐压和低阻值,但其开关性能劣于多数载流子。Si-PND中提高了开关速度的产品是FRD,然而开关时的恢复特性依然劣于SBD。

右图表示Si-SBD、Si-PND/FRD和SiC-SBD的耐压覆盖范围。SiC-SBD覆盖了Si-PND/FRD的大部分耐压范围,因此将该耐压范围的Si-PND/FRD替换为SiC-SBD,可改善恢复特性,并可在应用上发挥其优势。


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-SiC-SBD覆盖了Si-SBD无法攀登的高耐压范围,那是与FRD一比高下的范围,但其恢复特性远远优于FRD是吗?

是的。下面是SiC-SBD和Si-FRD开关时的恢复特性比较。
以及两者的温度依赖性比较。

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首先,一目了然的是SiC-SBD的恢复特性显著优异。另外,几乎没有温度依赖性。前面针对结构简单介绍过,Si-FRD通过少数载流子作用来实现在低阻值下的ON工作。然而,在OFF时少数载流子贡献于恢复电流,成为应用上的开关损耗。SiC-SBD是多数载流子,因而在原理上没有这项恢复工作。仅流过元器件的结电容带来的恢复电流,几乎没有温度依赖性。

可大幅降低恢复损耗,因此有助于提高设备的效率。另外,恢复电流较小,这有利于降低噪声,减少这些对策部件还可进一步缩减电路规模。

-还有其他需要了解的特性吗?

正向电压(VF特性也有与Si-FRD产品的不同之处。看下图会比较容易理解。

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此有助于提高设备的Si-SBD的VF温度特性与包括Si-FRD在内的Si-PND不同。Si-FRD随着温度升高电阻下降,VF降低,而SiC-SBD随着温度升高VF也升高。

这个特性有利有弊,当并联使用Si- FRD时,当一端的二极管产生电流偏差时可能会发生热失控,而SiC-SBD的VF升高,可使电流平衡。因此SiC-SBD从可并联连接二极管的角度看具有优势。反之需要注意的是抗浪涌电流性能IFSM逊于Si- FRD这一点。

-能否请您对前面的说明做一个总结?

首先,SiC是非常适合功率元器件的半导体材料,具有优异的特性。作为肖特基势垒二极管时,具有卓越的高速性能,可实现Si-SBD无法匹敌的高耐压元器件。从耐压的角度可与Si-FRD一争高下,但其恢复性能更具优势。高速恢复特性有助于设备的效率提升和应用电路的小型化。

-那么有没有什么课题呢?

我认为课题是与Si-FRD相比抗浪涌电流性能较差。ROHM推出的第三代SiC-SBD就是解决该课题的行动之一。第三代产品不仅具备ROHM擅长的低VF特性,还提高了抗浪涌电流性能IFSM,并改善了漏电流IR特性,采用SiC功率元器件的客户有望进一步增加。


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