一、碳化硅肖特基二極管

  肖特基二極管是以其發(fā)明人肖特基博士（Schottky）命名的，SBD是肖特基勢壘二極管（SchottkyBarrierDiode,縮寫成SBD）的簡稱。SBD不是利用P型半導體與N型半導體接觸形成PN結(jié)原理制作的，而是利用金屬與半導體交接處形成空間電荷區(qū)和自建電場。在外加電壓為零時，載流子的擴散運動與反向的漂移運動達到動態(tài)平衡，這時金屬與N型4H-SiC半導體交界處形成一個接觸勢壘，這就是肖特基勢壘。肖特基二極管就是依據(jù)此原理制作而成。因此，SBD也稱為金屬－半導體（接觸）二極管或表面勢壘二極管，它是一種熱載流子二極管。     由于它的這種特殊結(jié)構(gòu)，使其具有如下不同尋常的特性：

 碳化硅肖特基二極管比PN結(jié)器件的行為特性更像一個理想的開關(guān)。肖特基二極管最重要的兩個性能指標就是它的低反向恢復電荷和它的恢復軟化系數(shù)。

 低反向恢復電荷在二極管電壓換成反向偏置時，關(guān)閉過程所需時間，即反向恢復時間trr大大縮短。便于用于高頻運行，快速且不受溫度影響的開關(guān)，減少開關(guān)損耗。高軟化系數(shù)會減少二極管關(guān)閉所產(chǎn)生的EMI噪音，降低換向操作干擾。

碳化硅肖特基二極管還有個比PN結(jié)器件優(yōu)越的指標是正向?qū)?/span>壓低，具有低的導通損耗。但也有兩個缺點，一是反向耐壓VR較低，一般只有100V左右;二是反向漏電流IR較大，實務(wù)設(shè)計上需注意其熱失控的隱憂。

二、碳化硅功率器件

  SiC（碳化硅）是一種由Si（硅）和C（碳）構(gòu)成的化合物半導體材料。不僅絕緣擊穿場強是Si的10倍，帶隙是Si的3倍，而且在器件制作時可以在較寬范圍內(nèi)控制必要的p型、n型，所以被認為是一種超越Si極限的功率器件材料。SiC中存在各種多型體（結(jié)晶多系），它們的物性值也各不相同。

   碳化硅SiC的能帶間隔為硅的2.8倍(寬禁帶),達到3.09電子伏特。其絕緣擊穿場強為硅的5.3倍,高達3.2MV/cm.，其導熱率是硅的3.3倍,為49w/cm.k。

   它與硅半導體材料一樣，可以制成結(jié)型器件、場效應器件、和金屬與半導體接觸的肖特基二極管。也能夠以高頻器件結(jié)構(gòu)的多數(shù)載流子器件去實現(xiàn)高耐壓，從而同時實現(xiàn)高耐壓、低導體電阻、高頻這三個特性。

其優(yōu)點是：

1. 碳化硅單載流子器件漂移區(qū)薄，開態(tài)電阻小。比硅器件小100-300倍。由于有小的導通電阻，碳化硅功率器件的正向損耗小。

2. 碳化硅功率器件由于具有高的擊穿電場而具有高的擊穿電壓。例如，商用的硅肖特基的電壓小于300V，而第一個商用的碳化硅肖特基二極管的擊穿電壓已達到600V。

3. 碳化硅有高的熱導率，因此碳化硅功率器件有低的結(jié)到環(huán)境的熱阻。

4. 碳化硅器件能工作在高溫，碳化硅器件已有工作在600°C的報道，而硅器件的最大工作溫度僅為150°C。

5. 碳化硅具有很高的抗輻照能力。

6. 碳化硅功率器件的正反向特性隨溫度和時間的變化很小，可靠性好。

7. 碳化硅器件具有很好的反向恢復特性，反向恢復電流小，開關(guān)損耗小。碳化硅功率器件可工作在高頻(>20KHz)。

8. 碳化硅器件為減少功率器件體積和降低電路損耗作出了重要貢獻。

三、碳化硅肖特基二極管優(yōu)勢

  碳化硅肖特基二極管是一種單極型器件，采用結(jié)勢壘肖特基二極管結(jié)構(gòu)（JBS），因此相比于傳統(tǒng)的硅快恢復二極管（Si FRD），碳化硅肖特基二極管具有理想的反向恢復特性。由于SBD是一種多數(shù)載流子導電器件，不存在少數(shù)載流子壽命和反向恢復問題。在器件從正向?qū)ㄏ蚍聪蜃钄噢D(zhuǎn)換時，幾乎沒有反向恢復電流，反向恢復實際小于20ns，甚至600V/10A的碳化硅肖特基二極管的反向恢復時間在10ns以內(nèi)。因此碳化硅肖特基二極管可以工作在更高頻率，在相同頻率下具有更高的效率。

   由于存在肖特基勢壘，SBD具有較低的結(jié)勢壘高度。因此，SBD具有低正向電壓的優(yōu)勢。碳化硅肖特基二極管的出現(xiàn)將SBD的應用范圍從250V提高到1200V。同時，其高溫特性好，從室溫到由管殼限定的175℃，反向漏電流幾乎沒有增加，可以有效降低反向漏電流，具備更好的耐高壓能力。

   另一個重要的特點是碳化硅肖特基二極管具有正的溫度系數(shù)，隨著溫度的上升電阻也逐漸上升，這與硅FRD正好相反。這使得碳化硅肖特基二極管非常適合并聯(lián)實用，增加了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

概括碳化硅肖特基二極管的主要優(yōu)勢，有如下特點：

1. 有比超快恢復更高的開關(guān)速度，幾乎無開關(guān)損耗，更高的開關(guān)頻率，更高的效率。

2. 有比肖特基更高的反向電壓，更小的反向漏電。

3. 更高的工作溫度，反向漏電幾乎不受溫度影響。

4. 正的溫度系數(shù)，適合于并聯(lián)工作，解決并聯(lián)導致可靠性下降難題。

5. 開關(guān)特性幾乎與溫度無關(guān)，更加穩(wěn)定。

正由于碳化硅肖特基二極管具有以上這些特性，被廣泛應用于開關(guān)電源、功率因素校正（PFC）電路、不間斷電源（UPS）、光伏逆變器等中高功率領(lǐng)域。在PFC電路中用碳化硅SBD取代原來的硅FRD，可使電路工作在300kHz以上，效率基本保持不變，而相比下使用硅FRD的電路在100kHz以上的效率急劇下降。隨著工作頻率的提高，電感等無源原件的體積相應下降，整個電路板的體積下降30%以上?？娠@著減少電路的損耗，提高電路的工作頻率。

四、碳化硅肖特基二極管的重要參數(shù)

肖特基二極管應用廣泛，特別是在開關(guān)電源當中。在不同的應用中，需要考慮不同的因素，而且，不同的器件在性能上也有差別，因此，在選用肖特基二極管時，下面這些參數(shù)需要綜合考慮。

 

1. 導通壓降VF

VF為二極管正向?qū)〞r二極管兩端的壓降，當通過二極管的電流越大，VF越大;當二極管溫度越高時，VF越小。

 

2. 反向飽和漏電流IR

IR指在二極管兩端加入反向電壓時，流過二極管的電流，反向飽和電流的大小決定了二極管自身的損耗，反向飽和電流越大，二極管的功耗越大，器件本體發(fā)熱越嚴重，因此反向飽和電流直接影響二極管的可靠性，其值越小越好。

 

3. 額定電流IF

指二極管長期運行時，根據(jù)允許溫升折算出來的平均電流值。

 

4. 最大浪涌電流IFSM

允許流過的過量的正向電流。它不是正常電流，而是瞬間電流，這個值越大，抗沖擊浪涌能力越強。

 

5. 最大反向峰值電壓VRM

即使沒有反向電流，只要不斷地提高反向電壓，遲早會使二極管損壞。這種能加上的反向電壓，不是瞬時電壓，而是反復加上的正反向電壓。因給整流器加的是交流電壓，它的最大值是規(guī)定的重要因子。最大反向峰值電壓VRM指為避免擊穿所能加的最大反向電壓。目前肖特基最高的VRM值為150V。

 

6. 最大直流反向電壓VR

上述最大反向峰值電壓是反復加上的峰值電壓，VR是連續(xù)加直流電壓時的值。用于直流電路，最大直流反向電壓對于確定允許值和上限值是很重要的。

 

7. 最高工作頻率fM

由于PN結(jié)的結(jié)電容存在，當工作頻率超過某一值時，它的單向?qū)щ娦詫⒆儾睢Ｐぬ鼗O管的fM值較高，最大可達100GHz。

 

8. 反向恢復時間Trr

當工作電壓從正向電壓變成反向電壓時，二極管工作的理想情況是電流能瞬時截止。實際上，一般要延遲一點點時間。決定電流截止延時的量，就是反向恢復時間。雖然它直接影響二極管的開關(guān)速度，但不一定說這個值小就好。也即當二極管由導通突然反向時，反向電流由很大衰減到接近IR時所需要的時間。大功率開關(guān)管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)時，此項指標至為重要。

 

9. 最大耗散功率P

二極管中有電流流過，就會吸熱，而使自身溫度升高。在實際中外部散熱狀況對P也是影響很大。具體講就是加在二極管兩端的電壓乘以流過的電流加上反向恢復損耗。

五、碳化硅肖特基二極管應用

1. 太陽能逆變器

太陽能發(fā)電用二極管的基本材料，碳化硅二極管的各項技術(shù)指標均優(yōu)于普通雙極二極管(silicon bipolar)技術(shù)。碳化硅二極管導通與關(guān)斷狀態(tài)的轉(zhuǎn)換速度非?？?，而且沒有普通雙極二極管技術(shù)開關(guān)時的反向恢復電流。在消除反向恢復電流效應后，碳化硅二極管的能耗降低70%，能夠在寬溫度范圍內(nèi)保持高能效，并提高設(shè)計人員優(yōu)化系統(tǒng)工作頻率的靈活性。

 

2. 開關(guān)電源

碳化硅的使用可以極快的切換，高頻率操作，零恢復和溫度無關(guān)的行為，再加我們的低電感RP包，這些二極管可以用在任向數(shù)量的快速開關(guān)二極管電路或高頻轉(zhuǎn)換器應用。

 

3. 新能源汽車充電器

碳化硅二極管通過汽車級產(chǎn)品測試，極性接反擊穿電壓提高到650V，能夠滿足設(shè)計人員和汽車廠商希望降低電壓補償系數(shù) 的要求，以確保車載充電半導體元器件的標稱電壓與瞬間峰壓 ，之間有充足的安全裕度 。二極管的雙管產(chǎn)品 ，可最大限度提升空間利用率，降低車載充電器的重量。

4. 功率因數(shù)校正

較短的反向恢復和正向恢復時間;最小的儲存電荷Q;低的漏電流和最低的開關(guān)損耗。過壓和浪涌電流能力非常重要，它們能夠用來處理PFC中由啟動和交流回落引起的浪涌和過電流。

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