碳化硅肖特基二极管的技术演变及选型方法
功率二极管是电力电子功率设备最基本的组成单元，其单向导电性可用于功率电路的整流、箝位、续流等应用。随着越来越多的功率设备要求更紧凑、更高效、更可靠，碳化硅（SIC）功率器件的应用将日益普遍，尤其是碳化硅功率二极管，因为碳化硅是一种宽禁带半导体材料，碳化硅功率二极管比起硅功率二极管，更适合高温、高压、高频的工作环境。
自从碳化硅功率二极管入市以来，其器件设计和可靠性经历了一系列的演进和变化，从肖特基势垒到结势垒，再到混合 P-I-N 结构（简称MPS）。下面我们就从技术演变的角度来讲述有关碳化硅肖特基二极管的演变特点，以及它们在性能、可靠性和坚固性上的不同之处，有助于在设计选型阶段考虑这些因素，合理选型。
肖特基势垒二极管(SBD)是最简单的半导体器件之一，其最基本形式的SBD由一个金属－半导体结所组成。最初SiC肖特基二极管也是采用这种结构。但是这种简单结构的器件很快在实际应用中遇到了问题：在反向高压下，漏电流会随着时间逐步增大，直至器件发生毁灭性的故障。
那么，是什么原因造成这样的情况？如图1所示，通过观察发现，SiC外延层存在表面缺陷和不平整，当肖特基金属沉积在其上时，就会造成巨大的结构性缺陷，而且两种材料之间的界面可能形成各种硅化物和碳化物。
图1：SiC基质与肖特基势垒金属之间的典型表面接触缺陷
从微观的角度来说，肖特基金属和SiC半导体具有不同的晶体结构和晶格参数，所以会在结合处造成严重的原子级的不调和。这些因素导致了整个结平面的结构缺陷。在反向状态，这些缺陷就成为漏电流的导火索。另外，由于漏电流引起局部温度上升，这些缺陷又会逐渐扩大，缺陷越大，漏电流越多，如此交替发展，直至器件最终无法阻断额定电压而击穿损毁。
那么，有何方法来解决这些缺陷？一种称为“结势垒肖特基”（简称“JBS”）的设计可改进此种缺陷。JBS设计的主要改进是在肖特基势垒下面人为加入了均匀间隔的 p+阱。如图2所示，这种改进显著提高了二极管的可靠性和坚固性。
图2A：纯肖特基二极管反向状态下的结构和电场分布
图2B：JBS二极管反向状态下的结构和电场分布
图2A所示的为反向状态下的基本型SBD，其电场梯度沿着n-漂移层的厚度分布，电场峰值发生在势垒处，刚好就是缺陷之处。如果是JBS二极管，其p+阱就会与周围的n-漂移层形成连串的同质结。和任何半导体结一样，在p+阱和n-漂移层的界面存在着一个耗尽区。当肖特基二极管处于反向状态时，p-n耗尽区的电场就会撞击外加电场，如图2B所示，合成峰值电场位于p+阱的底部，远离了肖特基势垒的缺陷处。因此，和基本型肖特基势垒二极管相比，JBS二极管的漏电流大为减少，击穿电压明显提高
为了增强瞬变电流的能力，又一种称为“混合P-I-N肖特基”（简称“MPS”）的设计被引入。MPS二极管具有JBS二极管反向状态下的所有优点，而且融入了一种正向状态下增强瞬变电流的独有特性。
在MPS结构中，p+阱经过了改造，和基质材料一起形成了P-I-N结。在正常的正向工作中，这些P-I-N结将处于不活动状态，因此不产生正向电流。而一旦发生正向瞬变的情况，P-I-N结就会开启，从而大幅提高二极管的正向电流承载能力，如图3所示。这使得器件的正向浪涌电流处理能力相比简单的肖特基二极管大为增强。
如图4所示，比较了MPS二极管和纯肖特基二极管在正向电流下的曲线绘图仪测值。在高浪涌电流状况下，受较高的正向电压降影响，纯肖特基二极管会发生热逸溃，并且可能损毁。而在同样状况下，MPS二极管够传输同样的高电流，但正向电压降只有轻微增加，所以要比纯肖特基二极管坚固得多。
图3：瞬变浪涌状态下MPS二极管结构图
图4：MPS二极管（蓝线）和非 MPS二极管（红线）的曲线绘图仪测量值
Cree提供商用JBS和MPS SiC二极管已有十余年，这些器件的现场使用时间累积约达1万亿小时。它们的总单位时间故障率(FIT)为0.095，还不到历史悠久的硅器件可比数值的二十分之一。如表1所示。
表1：Cree SiC MPS和JBS肖特基二极管的FIT数据
近年来，纯SBD器件在SiC肖特基二极管市场又再度兴起，为消费者提供了更低价格的选择。也许这些厂商针对原先SiC SBD器件的故障模式已找到了令人满意的解决方案，但是如今的SBD依然存在固有缺陷，那就是峰值电场位于肖特基结附近。所以和MPS二极管相比，它们的漏电流依然会偏高，击穿电压则依然会偏低。除此之外，它们也完全不具备像MPS二极管那样先进的正向浪涌保护能力。
近期分析揭示，这种新型的纯肖特基二极管经过连续雪崩测试后仍然会出现工作不稳定的现象，而在MPS器件中则未发现这种情况。因此，消费者应该如何判断自己所购买的是SBD、JBS还是MPS？器件厂商未必会说明他们生产的SiC二极管属于何种结构，不过消费者一般可以索要这方面的资料。如果无法获得所需资料，可以通过数据表内相关数值进行快速比较，了解器件结构。
简单来说，简单SBD器件的反向漏电流一般要高于同类JBS和MPS器件，尤其是在温度升高时。而MPS二极管的正向浪涌额定值则高于JBS和SBD。由于测量参数的不同，这些产品的差别很难被量化，不过MPS的浪涌一般至少比同类SBD要高出两倍。
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aniu Lv7. 资深专家 2019-08-23真是好文 -
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