【技术】碳化硅肖特基二极管技术演进

碳化硅作为宽禁带半导体的代表性材料之一，其材料本征特性与硅材料相比具有诸多优势。以现阶段最适合用于做功率半导体的4H型碳化硅材料为例，其禁带宽度是硅材料的3倍，热导率是硅材料的3倍，电子饱和漂移速率是硅的2倍，临界击穿场强更是硅的10倍。材料特性对比如图（1）所示。

图（1） 4H型碳化硅与硅基材料特性对比

在硅基半导体器件性能已经进入瓶颈期时，碳化硅材料的优异特性让它成为了下一代功率半导体器件的理想原材料。

肖特基二极管的特点及应用

相比于其它各类二极管，肖特基二极管“没有反向恢复现象”特点，让它在“有源PFC”、“高频硬开关整流”等电路有广泛的应用前景。

受限于硅材料的特性，商用硅基肖特基二极管最高耐压在200V左右，在现有技术平台下，高电压（300V以上）硅基肖特基二极管无法在正向特性、可靠性和成本等因素上达到平衡，致使其无法商用。

碳化硅肖特基二极管从2001年开始商用，至今已有20年商用积累，并在部分高中端电源市场批量应用，逐步向通用市场渗透，具备广阔的市场前景。

碳化硅材料在禁带宽度和临界击穿场强等关键特性上具有明显优势，可以用来做成高耐压的肖特基二极管，目前650V-1700V碳化硅肖特基二极管在消费、工业、汽车、军工等领域有广泛应用。

碳化硅肖特基二极管结构简析

肖特基二极管：以金属为阳极，以N型半导体为阴极，利用二者接触面上形成的肖特基势垒（Schottky barrier）的整流特性而制成的金属-半导体二极管器件。

图（2）为标准肖特基架构示意图，其主要由4部分构成：

阳极金属：Anode Metal

外延层：N- drift（轻掺杂），主要作用是承担反向耐压

衬底层：N+（重掺杂），呈电阻特性，不具备电压耐受能力

阴极金属：Cathode Metal

图（2）碳化硅肖特基二极管结构示意图

优点：单极型器件，只有一种载流子，从正向导通到反向截止，没有反向恢复行为，适用于高频开关电路。

缺点：漏电大（硅基肖特基二极管的这个缺点更明显，所以耐压做不高）。

第二代碳化硅肖特基二极管-JBS简介

产业界以第一代标准肖特基结构做成的肖特基二极管（SBD）漏电流大，反向耐压低，产品竞争力差，商业应用价值低。为了提升产品竞争力，碳化硅肖特基二极管的结构也从标准的SBD结构向JBS进化，所谓JBS，是在外延层表面注入P阱，结构简图见图（3），在器件承受反压时，通过P阱与N-在P周围形成耗尽层，减小漏电流，提升器件的反向耐压。

图（3）碳化硅JBS结构简图

在较低电流密度情况下，SBD的V_F占优，在电流密度较高的情况下，PiN的V_F占优。

在器件正向导通时，主要以SBD二极管形态工作，PiN二极管一般不工作，在器件通过非正常的大电流时（例如浪涌电流），P阱与N-形成的PiN会投入工作，减小浪涌时刻V_F的增长，降低器件功耗，提升器件的抗浪涌能力。

图（4）二极管正向与电流密度关系图

基本半导体B1D系列碳化硅肖特基二极管均采用JBS结构。

碳化硅肖特基二极管关键参数解读

从应用角度来说，在选择器件时，需要优先考虑器件能否满足应用要求，然后考虑器件对设备整体性能的提升幅度，综合这两个因素，列举如下二极管的关键参数：

• 浪涌电流能力I_FSM：这是一个关乎器件能否安全使用的关键参数，比如在PFC电路中，要应对电网接入的电流冲击。全球电网工频主要采用50Hz和60Hz，以50Hz工频电网为例，其一个周期内半波脉宽为10ms，器件应用在50Hz电网对应的PFC电路中时，需要标定10ms正弦半波浪涌电流能力，而应用在60Hz电网对应的PFC电路中时，需要标定8.3ms正弦半波浪涌电流能力。

• 浪涌电流能力I_Fmax：同样是一个关乎器件能否安全使用的参数，此参数描述二极管对脉宽为10μs的方波浪涌电流的耐受能力，主要用于评估在实际应用中器件应对瞬态浪涌电流（雷击等）的耐受能力，如果应用中设备有被雷击的风险，需要重点关注此参数。

• 正向导通压降V_F：衡量二极管正向导通性能最重要的参数，对工程师而言，需要更关注V_F与T_j的依赖性关系。这里以基本半导体650V 10A TO-220封装碳化硅肖特基二极管为例进行说明。

图（5）B1D10065K I_F=f(V_F); parameter: T_j

如图（5）所示，5条黑色曲线为B1D10065K对应不同温度下的I_F=f(V_F)曲线，黑色虚线为基本半导体下一代同规格产品在T_j=100℃的预期I_F=f(V_F)曲线。通过对比T_j=100℃条件下的两条曲线可发现，在相同电流值情况下，虚线所对应的V_F值比实线（100℃）更低，正向导通特性更好，应用中，虚线斜率对应的器件具有更低的导通损耗。

• 正向导通电流I_F：评估二极管出电流能力的关键参数，表征I_F能力的信息可参考图（6）的I_F=f(T_C)曲线图，从字面意思理解，在其它参数条件都相同的情况下，I_F越大，输出电流能力越强，但不同品牌的器件器件参数不尽相同，实际应用中需要综合考虑各相关参数。

图（6）B1D10065K的I_F=f(T_C)

• 结壳热阻R_thJC：非常重要的一个参数，器件热设计的主要依据（参考热阻最大值），器件实际出力能力的高低与此值有紧密关联。

• 存储电荷Q_C：影响应用电路开关损耗的关键参数，开关频率越高，Q_C对开关损耗的影响越大。根据E=q*U，在二极管关断过程中，二极管中的存储电荷Q_C克服电场力做功，会产生功耗，此部分产生的功耗以热量的形式消散掉，对系统来说是没有用的。应用开关频率越高，越需要关注此参数。

6、碳化硅肖特基二极管V_F构成

图（7）所示为基本半导体B1D碳化硅肖特基二极管（JBS）结构示意图，其结构大致可分为四部分，上表面阳极金属、外延层（漂移区+缓冲区）、衬底层和背面阴极金属。

作为单极型器件，碳化硅肖特基二极管优点尤为突出，其“反向恢复为零”的特点让其反向特性相比硅基快恢复二极管具有明显优势；下面结合碳化硅肖特基二极管的结构图，谈谈碳化硅肖特基二极管的导通压降构成。

碳化硅肖特基二极管在导通时，其导通压降可等效为4部分构成：

图（7）①号区域的势垒电压

图（7）②号区域沟道垂直电流分量和水平电流分量等效沟道电流与电阻的乘积

图（7）③号区域外延（漂移区和缓冲区）的电流与电阻乘积

图（7）④号区域（衬底区）电流与电阻的乘积

图（7）

7、基本半导体B1D系列碳化硅肖特基二极管主要特点及产品系列

主要技术参数如下：

650V、1200V系列B1D碳化硅肖特基二极管电流范围从2-40A，封装涵盖TO-220,TO-252,TO-263,TO-247及其家族群封装，产品列表见下：