大功率碳化硅二極管有哪些應(yīng)用

1. 碳化硅材料的特性

長期以來，在制造半導(dǎo)體器件的材料中，硅（Si）材料一直居于統(tǒng)治地位。隨著電子科技的不斷發(fā)展和進步，半導(dǎo)體器件的性能也需要不斷提高，硅基器件的性能開始逐漸接近極限。同時，電子器件越來越多的工作在如航天、航空、軍事、高溫、高壓等場合，在這些應(yīng)用場合中器件需要忍受異常嚴酷的環(huán)境條件，這也使得硅基器件的表現(xiàn)越來越捉襟見肘，表1列出了這些領(lǐng)域中當(dāng)前和未來對半導(dǎo)體器件工作溫度的要求。這些都促使人們將目光轉(zhuǎn)向了性能更佳的寬禁帶半導(dǎo)體材料，碳化硅（SIC）就是人們較為熟悉的一種第三代半導(dǎo)體材料，碳化硅是間接帶隙半導(dǎo)體，具有很強的化學(xué)惰性和堅硬度，具有近兩百種不同的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，其中常見的有3C、4H、6H和15R型。

表1 當(dāng)前與未來導(dǎo)體器件工作溫度的比較

碳化硅（SIC）具有寬禁帶（Si的3倍）、高熱導(dǎo)率（Si的3.3倍）、高的臨界擊穿電場（Si的10倍）、高飽和電子遷移率（Si的2.5倍）以及高健合能等優(yōu)點，這就使得碳化硅材料可以很好地適用于高性能（高頻、高溫、高功率、抗輻射）電子器件。高的熱導(dǎo)率有利于大功率器件的熱耗散和高密度集成高的載流子飽和遷移速率可以使之應(yīng)用于高速開關(guān)器件；高的臨界位移能使碳化硅器件的抗輻射性能優(yōu)于Si器件。

由于碳化硅材料的帶隙很寬（4H型碳化硅在室溫下約為3.26eV），碳化硅器件能夠在很高的溫度下工作而不至于因為本征載流子激發(fā)導(dǎo)致器件性能失效。碳化硅材料在發(fā)生雪崩擊穿前所能夠忍受的極限電場是硅材料和砷化鎵（GaAs）的5~20倍12。這一高極限電場可以用來制造高壓、大功率器件。

2. 大功率碳化硅二極管的應(yīng)用

大功率碳化硅PIN二極管一直是功率器件研究領(lǐng)域的熱點之一。PIN二極管是在P+區(qū)和n+區(qū)之間夾一層本征半導(dǎo)體（或低濃度雜質(zhì)的半導(dǎo)體）構(gòu)造而成的晶體二極管。PIN中的i是“本征”意義的英文略語，因為不可能存在完全沒有雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)體，所以應(yīng)用中PIN二極管的I層或多或少摻有少量的p型或n型雜質(zhì)。目前研究的碳化硅PIN二極管主要采用臺面（Mesa）結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)，其剖面結(jié)構(gòu)分別如圖1所示：

圖1 平面結(jié)構(gòu)與臺面結(jié)構(gòu)SIC PIN二極管剖面圖

當(dāng)PIN二極管工作頻率超過100MHz時，由于少數(shù)載流子的存貯效應(yīng)和I層中的渡越時間效應(yīng)，使二極管失去整流作用而變成了阻抗元件，并且，其阻抗值隨偏置電壓而改變。在零偏置或直流反向偏置時，I區(qū)的阻抗很高；在直流正向偏置時，由于載流子注入I區(qū)，而使I區(qū)呈現(xiàn)出低阻抗狀態(tài)。因此，可以把PIN二極管作為可變阻抗元件使用，在微波和射頻控制領(lǐng)域，常常需要使用開關(guān)器件實現(xiàn)信號的切換，特別是在一些高頻信號控制中心，PIN二極管具有優(yōu)越的射頻信號控制能力，同時也被廣泛應(yīng)用于移相、調(diào)制、限幅等電路中。

大功率碳化硅二極管由于其優(yōu)越的耐壓特性，被廣泛應(yīng)用在電力領(lǐng)域中，主要用作大功率整流管。PIN二極管具有很高的反向臨界擊穿電壓VB，源于中間的低摻雜i層承載了主要的電壓降。提高I區(qū)的厚度，降低I區(qū)的摻雜濃度，能夠有效提高PIN二極管的反向擊穿電壓，但I區(qū)的存在會在一定程度上提高整個器件的正向壓降VF以及器件的開關(guān)時間，使用碳化硅材料制作的二極管，則可以彌補這些不足。碳化硅10倍于硅的臨界擊穿電場，使得碳化硅二極管的I區(qū)厚度可以減小到硅管的十分之一，同時能保持高的擊穿電壓，再加上碳化硅材料良好的熱導(dǎo)率，不會出現(xiàn)明顯的散熱問題，因此大功率碳化硅二極管成為現(xiàn)代電力電子領(lǐng)域非常重要的整流器件。

得益于其具有極小的反向漏電流和高載流子遷移率，碳化硅二極管在光電探測領(lǐng)域有著巨大的吸引力。小的漏電流可以減少探測器的暗電流，降低噪音；高載流子遷移率可以有效提高碳化硅PIN探測器的靈敏度；碳化硅二極管的大功率特性，使PIN探測器可以探測更強的光源，廣泛應(yīng)用在太空領(lǐng)域中。大功率碳化硅二極管因其優(yōu)異的特性，一直得到人們的重視，其研究也得到了長足的發(fā)展。