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肖特基二极管的相关介绍

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肖特基二极管的相关介绍

发布日期:2018-07-05 作者: 点击:

高压SBD

长期以来,在输出12V~24V的SMPS中,次级边的高频整流器只有选用100V的SBD或200V的FRED。在输出24V~48V的SMPS中,只有选用200V~400V的FRED。设计者迫切需要介于100V~200V之间的150VSBD和用于48V输出SMPS用的200VSBD。近两年来,美国IR公司和APT公司以及ST公司瞄准高压SBD的巨大商机,先后开发出150V和200V的SBD。这种高压SBD比原低压SBD在结构上增加了PN结工艺,形成肖特基势垒与PN结相结合的混合结构,如图2所示。采用这种结构的SBD,击穿电压由PN结承受。通过调控N-区电阻率、外延层厚度和P+区的扩散深度,使反偏时的击穿电压突破了100V这个长期不可逾越的障碍,达到150V和200V。在正向偏置时,高压SBD的PN结的导通门限电压为0.6V,而肖特基势垒的结电压仅约0.3V,故正向电流几乎全部由肖特基势垒供给。

为解决SBD在高温下易产生由金属-半导体的整流接触变为欧姆接触而失去导电性这一肖特基势垒的退化问题,APT公司通过退火处理,形成金属-金属硅化物-硅势垒,从而提高了肖特基势垒的高温性能与可靠性。

ST公司研制的150VSBD,是专门为在输出12V~24V的SMPS中替代200V的高频整流FRED而设计的。像额定电流为2×8A的STPS16150CT型SBD,起始电压比业界居先进水平的200V/2×8AFRED(如STRR162CT)低0.07V(典型值为0.47V),导通电阻RD(125℃)低6.5mΩ(典型值为40mΩ),导通损耗低0.18W(典型值为1.14W)。

APT公司推出的APT100S20B、APT100S20LCT和APT2×10IS20型200VSBD,正向平均电流IF(AV)=100A,正向压降VF≤0.95V,雪崩能量EAS=100mJ。EAS的表达式为

EAS=VRRM×IAS×td

在式(1)中,200VSBD的VRRM=200V,IAS为雪崩电流,并且IAS≈IF=100A,EAS=100mJ。在IAS下不会烧毁的维持时间:td=EAS/(VRRM×IAS)=1000mJ/(200V×100A)=5μs。也就是说,SBD在出现雪崩之后IAS=100A时,可保证在5μs之内不会损坏器件。EAS是检验肖特基势垒可靠性的重要参量200V/100A的SBD在48V输出的通信SMPS中可替代等额定值的FRED,使整流部分的损耗降低10%~15%。由于SBD的超快软恢复特性及其雪崩能量,提高了系统工作频率和可靠性,EMI也得到显著的改善。

业界人士认为,即使不采用新型半导体材料,通过工艺和设计创新,SBD的耐压有望突破200V,但一般不会超过600V。

SiC高压SBD

由于Si和GaAs的势垒高度和临界电场比宽带半导体材料低,用其制作的SBD击穿电压较低,反向漏电流较大。碳化硅(SiC)材料的禁带宽度大(2.2eV~3.2eV),临界击穿电场高(2V/cm~4×106V/cm),饱合速度快(2×107cm/s),热导率高为4.9W/(cm·K),抗化学腐蚀性强,硬度大,材料制备和制作工艺也比较成熟,是制作高耐压、低正向压降和高开关速度SBD的比较理想的新型材料。

1999年,美国Purdue大学在美国海军资助的MURI项目中,研制成功4.9kV的SiC功率SBD,使SBD在耐压方面取得了根本性的突破。  SBD的正向压降和反向漏电流直接影响SBD整流器的功率损耗,关系到系统效率。低正向压降要求有低的肖特基势垒高度,而较高的反向击穿电压要求有尽可能高的势垒高度,这是相矛盾的。因此,对势垒金属必须折衷考虑,故对其选择显得十分重要。对N型SiC来说,Ni和Ti是比较理想的肖特基势垒金属。由于Ni/SiC的势垒高度高于Ti/SiC,故前者有更低的反向漏电流,而后者的正向压降较小。为了获得正向压降低和反向漏电流小的SiCSBD,采用Ni接触与Ti接触相结合、高/低势垒双金属沟槽(DMT)结构的SiCSBD设计方案是可行的。采用这种结构的SiCSBD,反向特性与Ni肖特基整流器相当,在300V的反向偏压下的反向漏电流比平面型Ti肖特基整流器小75倍,而正向特性类似于NiSBD。采用带保护环的6H-SiCSBD,击穿电压达550V。

据报道,C.M.Zetterling等人采用6H?SiC衬底外延10μm的N型层,再用离子注入形成一系列平行P+条,顶层势垒金属选用Ti,这种结构与图2相类似的结势垒肖特基(JunctionBarrierSchottky,缩写为JBS)器件,正向特性与Ti肖特基势垒相同,反向漏电流处于PN结和Ti肖特基势垒之间,通态电阻密度为20mΩ·cm2,阻断电压达1.1kV,在200V反向偏压下的漏电流密度为10μA/cm2。此外,R·Rayhunathon报道了关于P型4H?SiCSBD、6H?SiCSBD的研制成果。这种以Ti作为金属势垒的P型4H?SiCSBD和6H?SiCSBD,反向击穿电压分别达600V和540V,在100V反向偏压下的漏电流密度小于0.1μA/cm2(25℃)。

SiC是制作功率半导体器件比较理想的材料,2000年5月4日,美国CREE公司和日本关西电力公司联合宣布研制成功12.3kV的SiC功率二极管,其正向压降VF在100A/cm2电流密度下为4.9V。这充分显示了SiC材料制作功率二极管的巨大威力。


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