В начале статьи сразу оговоримся, что рассматриваемые в ней технологии не конкурируют друг с другом. Карбидо-кремниевые (SiC) диоды компании WeEn производятся с нормируемым обратным напряжением 650; 1200 и 1700 В, тогда как диапазон обратного напряжения диодов SBR составляет 20–400 В.

Карбидокремниевые диоды Шоттки компании WeEn

Хотя карбид кремния в силовой электронике применяется более 15 лет, нельзя утверждать, что полупроводниковые приборы на его основе получили самое широкое применения – SiC MOSFET и JFET можно найти далеко не во всех каскадах. В то же время SiC диоды Шоттки встречаются гораздо чаще. Несмотря на их относительную простоту, повышение рабочей частоты и ужесточение требований к эффективности преобразователей вызывает необходимость в улучшении параметров этих диодов.

В самых первых SiC диодах Шоттки использовалась классическая структура барьера Шоттки (Schottky barrier diode, SBD). Затем для уменьшения токов утечки в эту структуру были добавлены p‑n‑переходы, и диоды получили название JBS (Junction Barrier Schottky). И, наконец, самое последнее слово в совершенствовании SiC диодов Шоттки, – инжекционные диоды Шоттки (MergedPNSchottky, MPS). Новую структуру предложила компания WeEn.

Изюминкой диодов Шоттки MPS является возможность выдерживать значительный импульсный ток.

Чтобы лучше понять особенности диодов Шоттки SiC MPS, прежде чем мы перейдем к рассмотрению их особенностей, вкратце опишем особенности SiC полупроводниковых приборов.

Размер MOSFET определяется сопротивлением канала на единицу площади в его открытом состоянии, которое, в свою очередь, зависит от концентрации легирующих примесей и от эпитаксиального слоя. Чтобы уменьшить сопротивление открытого канала, необходимо либо увеличить концентрацию примесей, либо уменьшить толщину эпитаксиального слоя, что приведет к уменьшению сопротивления пробоя.

В соотвтетствии с уравнением Пуассона, напряжение пробоя пропорционально квадрату напряженности электрического поля. Следовательно, благодаря широкой запрещенной зоне карбид кремния, у которого электрическое поле пробоя почти в 10 раз больше, чем у кремния (Si), и одерживает победу над кремнием в высоковольтных силовых приборах. Например, в 600‑В SiC диоде Шоттки толщина эпитаксиального слоя составляет 5 мкм, а концентрация примесей не превышает 1016см–3. В то же время у Si диода Шоттки с аналогичными параметрами толщина эпитаксиального слоя должна быть в 10 раз больше и составлять 50 мкм, а концентрация примесей – 1015см–3. Таким образом, SiC полупроводниковые приборы заметно выигрывают в размерах у кремниевых аналогов, что показано на рисунке 1 [1].

Рис.1 Сравнение размеров SiC и Si полупроводниковых приборов при одинаковой напряженности электрического поля

Не менее важным параметром силовых ключей является температурная стойкость. Рассмотрим и этот аспект.

Собственная концентрация носителей в Si-приборах при комнатной температуре составляет 1010см–3, а в SiC полупроводниках при тех же условиях – 1010см–3. При увеличении температуры концентрация носителей растет экспоненциально. При температуре 200°C концентрация носителей в Si-приборах превысит 1014см–3, что соизмеримо с концентрацией в p-n‑переходе и может привести к необратимому отказу прибора. В то же время благодаря низкой концентрации собственных носителей SiC-приборы благополучно выдерживают температуру до 600°C! К сожалению, из-за несовершенства технологии корпусирования полностью реализовать это преимущество не удается, и для коммерческих изделий производители ограничивают температуру величиной 175°C.

Классические диоды Шоттки являются униполярными приборами. Теоретически их время восстановления обратного сопротивления стремится к нулю. Однако чтобы повысить напряжение пробоя в Si диодах Шоттки, приходится увеличить толщину эпитаксиального слоя, что, как было показано выше, ведет к увеличению сопротивления. Во избежание этого эффекта следует воспользоваться инжекцией неосновных носителей, из-за которой, однако, возрастает время восстановления обратного сопротивления, т. к. требуется дополнительное время для удаления этих носителей и появляется обратный ток. К тому же, этот обратный ток возрастает с увеличением температуры.

С учетом всех описанных обстоятельств производители полупроводников в большинстве случаев ограничили обратное напряжение Si диодов Шоттки величиной 200 В. Д ля высоковольтных приложений выпускаются SiC диоды Шоттки с обратным напряжением 650; 1200 и 1700 В. На рисунке 2 показаны графики восстановления обратной проводимости SiC-диода, кремниевых быстрых и гипербыстрых диодов.

 

Рис.2 Графики восстановления обратной проводимости диодов разных типов

Далее мы рассмотрим предлагаемую компанией WeEn новую структуру диодов Шоттки MPS, которая упоминалась в начале статьи (см. рис. 3).

Рис. 3. Структура диодов Шоттки MPS

В первый момент включения диод начинает пропускать ток через p-n‑переходы (работает в биполярном режиме), и происходит выброс тока (surge current). Затем неосновные носители попадают в зону дрейфа, что приводит к уменьшению сопротивления, благодаря чему диод выдерживает значительный импульсный ток. Поскольку, однако, увеличение области p-n‑перехода приводит к уменьшению области Шоттки, сопротивление вновь увеличится при номинальном прямом токе во второй фазе проводимости, когда биполярный режим отключится.

Таким образом, необходим компромисс между возможностью выдерживать значительный импульсный ток и способностью работать в установившемся режиме при нормальной проводимости и номинальном прямом токе IF. Компании WeEn удалось найти оптимальную схему расположения P+ зон и эксклюзивный способ формирования металлического контакта. В результате удалось обеспечить способность выдерживать значительный выброс тока без ухудшения параметров при проводимости тока IF.

Другой особенностью SiC диодов Шоттки MPS является уменьшение толщины подложки – ее толщина в MPS-диодах составляет только 1/3 от стандартной толщины. Добиться такого результата удалось благодаря усовершенствованному производственному процессу, что привело к уменьшению сопротивления. Особенно это улучшение заметно для 650‑В диодов, у которых небольшое сопротивление эпитаксиального слоя по сравнению с высоковольтными диодами. На рисунке 4 приведены вольт-амперные характеристики 650‑В SiC диода Шоттки MPS и 650‑В SiC диода Шоттки JBS другой компании.

 

Рис. 4. Вольт-амперные характеристики 650-В SiC диода Шоттки MPS и 650-В SiC диода Шоттки JBS другой компании

Видно, что выигрыш при больших токах – на стороне диодов MPS: благодаря весьма значительному преимуществу в 2 В существенно уменьшаются потери и нагрев.

Заметим, что SiC диод Шоттки MPS является униполярным прибором несмотря на наличие p-n‑переходов и зон Р+, которые работают только в первой фазе коммутации при выбросе тока. Таким образом, время коммутации этих диодов гораздо меньше, чем у биполярных Si FRD диодов.

Тем не менее, обратный ток у диодов Шоттки все же имеется, но обусловлен он не неосновными носителями, как у биполярных приборов, а перезарядом паразитной переходной емкости. Последняя зависит от конструкции диода и от эпитаксиального слоя. По этой причине у SiC диодов Шоттки разных производителей могут наблюдаться разные характеристики обратного восстановления.

В [1] приводится таблица, в которой указана величина заряда QRR диодов Шоттки пяти разных компаний: он находится в диапазоне 15,2–33,8 нКл. У SiC диода Шоттки MPS компании WeEn заряд QRR составляет 14,3 нКл. Испытания проводились при следующих условиях:

• прямой ток IF = 10 А;
• di/dt = 500 А/мкс;
• обратное напряжение: VR = 400 В;
• Т = 25°C.

На рисунке 5 показано типовое использование диодов Шоттки в схеме корректора коэффициента мощности (КК М). Если КК М работает в режиме непрерывной проводимости, то при запирании диода и открывании ключа ток обратного восстановления вызовет потери мощности в ключе: они выделены красным цветом справа на рисунке 5, где схематично показан процесс включения силового ключа.

Рис. 5 Использование диодов Шоттки в схеме корректора коэффициента мощности

Следовательно, уменьшение заряда восстановления QRR позволяет сократить коммутационные потери и увеличить частоту коммутации.

Скачать статью