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碳化硅功率器件的性能分析与多芯片并联应用研究 2022-07-05 10:52
参考文献：周伟成，碳化硅功率器件的性能分析与多芯片并联应用研究【D】，浙江大学，2019（转发请注明出处及来源）
二极管是最基本的半导体器件，具有单向导电的特性。按照结的特性，高压电力电子二极管主要分为两大类：ＰＮ结二极管和肖特基二极管。ＰＮ结二极管，是单个ＰＮ结构成的二极管。高耐压的ＰＮ结二极管的正向电压高，为了提高ＰＮ结二极管的性能，功率二极管普遍采用的是ＰｉＮ结构，即在Ｐ＋区和Ｎ＋区之间增加一层低掺杂的Ｎ？层，以此缓和内部电场分布而提高器件的耐压性能，其结构如图２．１ａ）所示。ＰＮ结二极管的主要特点有：１）ＰＮ结二极管门槛电压较高；２）由于双极性导电机制，ＰＮ结二极管的等效串联电阻较低；３）双极性导电机制存在少数载流子的存储和复合现象，ＰＮ结二极管有较大的反向恢复电流和反向恢复电荷的问题。
肖特基二极管是用金属材料代替Ｐ型半导体，再与Ｎ型半导体结合的二极管，结构如图２．１ｂ）所示。肖特基二极管的主要特点有：１）肖特基结上的势垒较低，肖特基二极管的门槛电压较低；２）由于单极性导电机制，肖特基二极管的等效串联电阻较高；３）单极性导电机制，不存在少数载流子复合，肖特基二极管没有反向恢复电荷，只有结电容的充电电荷，所以肖特基二极管的反向过程短，反向恢复造成的损耗小，在高频工作应用有优势。功率二极管是指反向能耐高压，正向能导通大电流的二极管，从上述两种不同结构二极管的特点来看，肖特基二极管更适合作为功率二极管的设计。但由于传统的硅基肖特基二极管的阻断电压较低，硅基功率二极管基本是采用ＰｉＮ二极管结构。
对碳化硅功率二极管而言，一方面碳化硅是宽禁带半导体材料，碳化硅ＰＮ结二极管的门槛电压高达２．７７Ｖ过高的正向导通压降限制了大功率应用，因此碳化硅功率二极管不适合采用ＰＮ结结构。另一方面，碳化硅材料的击穿场强高，大约是硅的１０倍，碳化硅肖特基二极管在保证高耐压时仍然可以将漂移区的厚度做的很薄，同时碳化硅中的掺杂浓度也要高于硅中的掺杂浓度，这表明高耐压的碳化硅肖特基二极管的等效通态电阻依然很低，碳化硅肖特基二极管能够满足高压大功率应用需求。综上所述，肖特基结适合作为碳化硅功率二极管的主要结构。
图２．２ＭＰＳ二极管正向Ｉ－Ｖ特性以及二极管内部ＰｉＮ区与肖特基区Ｉ－Ｖ特性示意图
碳化硅功率二极管在实际应用过程中会遇到大电流导通的情况，比如浪涌电流、电路电流等，为了提高碳化硅功率二极管的鲁棒性，一种新型的碳化硅二极管结合了ＰｉＮ结构和肖特基结构，称为碳化硅ＭＰＳ（ＭｅｒｇｅｄＰｉＮＳｃｈｏｔｔｋｙ）二极管，其结构如图２．１ｃ）所示。
这种二极管的工作原理如图２．２所示，额定电流工作时ＭＰＳ二极管以肖特基结为主要导电通道，而导通大电流时，二极管的正向压降升高，主要电流转移到ＰＮ结，从而避免了大电流时单纯肖特基结上的正向高压降，提高了二极管的可靠性。目前，市场上主流的碳化硅二极管为ＭＰＳ二极管。
碳化硅功率二极管特性
碳化硅功率二极管的静态特性
碳化硅功率二极管的静态特性主要包括正向导通特性、反向阻断特性以及Ｃ－Ｖ特性。正向导通特性是指二极管正向导通时，导通电流和正向压降的关系。反向阻断特性是指二极管反向阻断电压时，阻断电压与反向漏电的关系。Ｃ－Ｖ特性是指二极管结电容随反向阻断电压变化的关系。在实测实验中，选用Ｃｒｅｅ公司的碳化硅功率二极管ＣＰＷ４１２００Ｓ０２０Ｂ作为被测器件，实验对该器件的三种静态特性进行测量和分析。
二极管ＣＰＷ４１２００Ｓ０２０Ｂ的最高耐压和额定电流分别为１２００Ｖ和２５Ａ，图３．９是二极管ＣＰＷ４１２００Ｓ０２０Ｂ在不同结温下的正向Ｉ－Ｖ特性。根据图中的数据可以发现，常温下碳化硅二极管的门槛电压大约为０．８５Ｖ，并且随着结温的上升，门槛电压逐渐降低，等效串联电阻增加。这是因为结温升高，使得热电子发射几率增加，从而在相同的压降条件下，越过势垒的电子数量增加导致电流增加。换言之随着结温升高，导通相同的电流值所需要的外加电压值降低了，所以门槛电压随着结温升高而降低。此外，结温的升高使得电子迁移率降低，所以二极管的差分电阻增加，即正向Ｉ－Ｖ特性曲线的斜率减小，整个曲线随温度升高而向下倾斜。
图３．１０是二极管ＣＰＷ４１２００Ｓ０２０Ｂ反向阻断特性，出于测量仪器的精度温度，无法测到阻断电压小于４００Ｖ的情况下的漏电流。在阻断电压大于５００Ｖ之后，二极管的漏电流明显增加，且近似线性的随电压升高而增加。随着结温的升高，二极管反向漏电流增加。
图３．１１是二极管ＣＰＷ４１２００Ｓ０２０Ｂ在偏置电压１００Ｖ以下的Ｃ－Ｖ特性，由于Ｃ－Ｖ特性随温度变化很小，因此只需测量室温下的Ｃ－Ｖ特性。从图中可以看到肖特基二极管的结电容随着反向电压的升高而减小。这是由于二极管的结电容两极在耗尽区两端，结电容的两端的距离就是耗尽区的宽度，而耗尽区的宽度随着两端的电压增加而增加，因此结电容的大小会随着反向电压升高而减小。公式（３．１０）和（３．１１）表示了肖特基二极管结电容与反向阻断电压的关系。
上面公式中，Wd为耗尽区宽度，εs为４Ｈ－ＳｉＣ的相对介电常数，Vｂｉ为内建电势，Nd为nˉ半导体内掺杂浓度，A为等效结电容两端平面的面积，ＶＲ为反向阻断电压。
碳化硅二极管的动态特性
上节讨论了碳化硅肖特基二极管是单极性导电机制，不存在载流子复合而产生的反向恢复过程，其反向电流只是由于结电容充电造成，所以碳化硅肖特基二极管的反向电流峰值小，充电电荷较小。图３．１２是碳化硅二极管ＣＰＷ４１２００Ｓ０２０Ｂ在不同结温下的反向电流，该电流波形是在图３．２的双脉冲电路中实测得到（正向电流２０Ａ，母线电压６００Ｖ），可以看出结温对该二极管反向电流的影响很小，特别是１００°Ｃ以上已经几乎没有影响。通过对电流和时间的积分可以计算得到总的充电电荷大概为５０ｎＣ，这比相量级ＰｉＮ管的反向恢复电荷要小很多，反向过程只有２１ｎｓ左右。
二极管是最基本的半导体器件，具有单向导电的特性。按照结的特性，高压电力电子二极管主要分为两大类：ＰＮ结二极管和肖特基二极管。ＰＮ结二极管，是单个ＰＮ结构成的二极管。高耐压的ＰＮ结二极管的正向电压高，为了提高ＰＮ结二极管的性能，功率二极管普遍采用的是ＰｉＮ结构，即在Ｐ＋区和Ｎ＋区之间增加一层低掺杂的Ｎ？层，以此缓和内部电场分布而提高器件的耐压性能，其结构如图２．１ａ）所示。ＰＮ结二极管的主要特点有：１）ＰＮ结二极管门槛电压较高；２）由于双极性导电机制，ＰＮ结二极管的等效串联电阻较低；３）双极性导电机制存在少数载流子的存储和复合现象，ＰＮ结二极管有较大的反向恢复电流和反向恢复电荷的问题。
肖特基二极管是用金属材料代替Ｐ型半导体，再与Ｎ型半导体结合的二极管，结构如图２．１ｂ）所示。肖特基二极管的主要特点有：１）肖特基结上的势垒较低，肖特基二极管的门槛电压较低；２）由于单极性导电机制，肖特基二极管的等效串联电阻较高；３）单极性导电机制，不存在少数载流子复合，肖特基二极管没有反向恢复电荷，只有结电容的充电电荷，所以肖特基二极管的反向过程短，反向恢复造成的损耗小，在高频工作应用有优势。功率二极管是指反向能耐高压，正向能导通大电流的二极管，从上述两种不同结构二极管的特点来看，肖特基二极管更适合作为功率二极管的设计。但由于传统的硅基肖特基二极管的阻断电压较低，硅基功率二极管基本是采用ＰｉＮ二极管结构。
对碳化硅功率二极管而言，一方面碳化硅是宽禁带半导体材料，碳化硅ＰＮ结二极管的门槛电压高达２．７７Ｖ过高的正向导通压降限制了大功率应用，因此碳化硅功率二极管不适合采用ＰＮ结结构。另一方面，碳化硅材料的击穿场强高，大约是硅的１０倍，碳化硅肖特基二极管在保证高耐压时仍然可以将漂移区的厚度做的很薄，同时碳化硅中的掺杂浓度也要高于硅中的掺杂浓度，这表明高耐压的碳化硅肖特基二极管的等效通态电阻依然很低，碳化硅肖特基二极管能够满足高压大功率应用需求。综上所述，肖特基结适合作为碳化硅功率二极管的主要结构。
碳化硅功率二极管在实际应用过程中会遇到大电流导通的情况，比如浪涌电流、电路电流等，为了提高碳化硅功率二极管的鲁棒性，一种新型的碳化硅二极管结合了ＰｉＮ结构和肖特基结构，称为碳化硅ＭＰＳ（ＭｅｒｇｅｄＰｉＮＳｃｈｏｔｔｋｙ）二极管，其结构如图２．１ｃ）所示。
这种二极管的工作原理如图２．２所示，额定电流工作时ＭＰＳ二极管以肖特基结为主要导电通道，而导通大电流时，二极管的正向压降升高，主要电流转移到ＰＮ结，从而避免了大电流时单纯肖特基结上的正向高压降，提高了二极管的可靠性。目前，市场上主流的碳化硅二极管为ＭＰＳ二极管。
碳化硅功率二极管特性
碳化硅功率二极管的静态特性
碳化硅功率二极管的静态特性主要包括正向导通特性、反向阻断特性以及Ｃ－Ｖ特性。正向导通特性是指二极管正向导通时，导通电流和正向压降的关系。反向阻断特性是指二极管反向阻断电压时，阻断电压与反向漏电的关系。Ｃ－Ｖ特性是指二极管结电容随反向阻断电压变化的关系。在实测实验中，选用Ｃｒｅｅ公司的碳化硅功率二极管ＣＰＷ４１２００Ｓ０２０Ｂ作为被测器件，实验对该器件的三种静态特性进行测量和分析。
二极管ＣＰＷ４１２００Ｓ０２０Ｂ的最高耐压和额定电流分别为１２００Ｖ和２５Ａ，图３．９是二极管ＣＰＷ４１２００Ｓ０２０Ｂ在不同结温下的正向Ｉ－Ｖ特性。根据图中的数据可以发现，常温下碳化硅二极管的门槛电压大约为０．８５Ｖ，并且随着结温的上升，门槛电压逐渐降低，等效串联电阻增加。这是因为结温升高，使得热电子发射几率增加，从而在相同的压降条件下，越过势垒的电子数量增加导致电流增加。换言之随着结温升高，导通相同的电流值所需要的外加电压值降低了，所以门槛电压随着结温升高而降低。此外，结温的升高使得电子迁移率降低，所以二极管的差分电阻增加，即正向Ｉ－Ｖ特性曲线的斜率减小，整个曲线随温度升高而向下倾斜。
碳化硅二极管的动态特性
上节讨论了碳化硅肖特基二极管是单极性导电机制，不存在载流子复合而产生的反向恢复过程，其反向电流只是由于结电容充电造成，所以碳化硅肖特基二极管的反向电流峰值小，充电电荷较小。图３．１２是碳化硅二极管ＣＰＷ４１２００Ｓ０２０Ｂ在不同结温下的反向电流，该电流波形是在图３．２的双脉冲电路中实测得到（正向电流２０Ａ，母线电压６００Ｖ），可以看出结温对该二极管反向电流的影响很小，特别是１００°Ｃ以上已经几乎没有影响。通过对电流和时间的积分可以计算得到总的充电电荷大概为５０ｎＣ，这比相量级ＰｉＮ管的反向恢复电荷要小很多，反向过程只有２１ｎｓ左右。
