碳化硅功率器件的工作原理详解
碳化硅功率器件概述
随着终端应用电子架构复杂程度提升，硅基器件物理极限无法满足部分高压、高温、高频及低功耗的应用要求。
近 20 多年来，以碳化硅(silicon carbide，sic)为代表的宽禁带半导体器件，受到了广泛的关注。sic中存在各种多型体(结晶多系)，它们的物性值也各不相同。
用于功率器件制作，4h-sic最为合适。sic材料具有3倍于硅材料的 禁带宽度 ，10倍于硅材料的 临界击穿电场强度 ，3倍于硅材料的 热导率 。因此 sic功率器件在高频、高压、高温等应用场合更具优势，且有助于电力电子系统的效率和功率密度的提升。
sic功率器件的优势
高耐压sic的绝缘击穿场强是si的 10倍 ，与si器件相比，sic可以通过更高的杂质浓度和更薄的厚度的漂移层作出600v～数千v的高耐压功率器件。
低导通电阻对于高耐压功率器件来说，阻抗主要由该漂移层的阻抗组成，因此采用sic可以得到单位面积导通电阻非常低的高耐压器件。理论上，相同耐压的器件，sic的单位面积的漂移层阻抗可以降低到si的 1/300 。
**高频 **传统的si材料为了改善伴随高耐压化而引起的导通电阻增大的问题，主要采用如 igbt (insulated gatebipolar transistor : 绝缘栅极双极型晶体管)等少数载流子器件(双极型器件)，采取这种方式会引入开关损耗大的问题，发热会限制igbt的 高频驱动 。 sic材料却能够以高频器件结构的多数载流子器件(肖特基势垒二极管和mosfet)去实现高耐压，从而同时实现 高耐压、低导通电阻、高频 这三个特性。
高温sic带隙较宽，是si的 3倍 ，因此sic功率器件即使在高温下也可以稳定工作。
sic二极管种类
sic功率二极管有4种类型：pin 二极管、肖特基二极管(schottky barrier diode，sbd)，结势垒肖特基二极管(junction barrier schottky diode，jbs)和混合式pin-肖特基二极管。
pin二极管结构及其工作原理
pin二极管的基本结构如图3所示。电力二极管为了承受高电压和大电流，内部结构和pn结有所不同，pin二极管中间较宽的为低掺杂浓度的 n-漂移区 (也称为基区)，两****边较窄的为高掺杂浓度阳极 p+区域和阴极n+区域，称为末端区 。
在正偏时，p区和n区的多子会注入到 i区 ，并在i区 复合 。当注入载流子和复合载流子相等时，电流i达到平衡状态。而本征层由于积累了大量的载流子而电阻变低，所以当pin二极管正向偏置时，呈 低阻特性 。正向 偏****压越大 ，注入i层的电流就越大，i层载流子越多，使得其 电阻越小 。
当反****偏时，由于实际的i层含有少量的p型杂质，所以在 in交界面处 ，i区的空穴向n区扩散，n区的电子向i区扩散，然后形成 空间电荷区 。由于i区杂质浓度相比n区很低，因此耗尽区几乎全部在i区内。在pi交界面，由于存在浓度差(p区空穴浓度远远大于i区)，也会发生扩散运动，但是其影响相对于in交界面小的多，可以忽略不计。所以当反****偏时，i区由于存在耗尽区而使得pin二极管呈现高阻状态。
肖特基二极管结构及其工作原理
肖特基二极管的基本结构如图4所示，本质上就是金属和半导体材料接触的时候，在界面半导体处的 能带弯曲 ，形成了 肖特基势垒 。金属和半导体接触的时候，电子会从半导体跑到金属里面去。
半导体失****去电子，就会 带正电 ，形成空间电荷区(由不可移动的正离子构成)，这个空间电荷区，会阻止半导体的电子继续向金属移动，也就是说形成了肖特基势垒。
当在肖特基势垒两端加上 正向偏压 (阳极金属接电源正极，n型基片接电源负极)时，肖特基 势垒层变窄 ，其 内阻变小 ，正向 导通 。反之，若在肖特基势垒两端加上反向偏压时，肖特基势垒层则 变宽 ，其 内阻变大 ，反向 截止 。
结势垒肖特基二极管结构及其工作原理
jbs 二极管的基本结构如图5所示，在jbs二极管中，阳极金属下方的肖特基接触部分和p+区部分 交错排列 。在正偏时，仅有肖特基接触部分参与 导电 ，器件的特性类似纯肖特基二极管；在反偏时，肖特基结两侧的p+区和n-外延层构成的p+/n-结形成的耗尽区相互接触，对肖特基接触形成了屏蔽，显著降低了其下方的 电场强度 ，从而降****低了 漏电流 。通过改变p+区和肖特基区的尺寸，在保持肖特基金属不变的前提下，很容易地调节器件的正向和反向特性；同时，jbs二极管还保留了纯肖特基二极管单极性导通、开关速度快的优势。
混合式pin-肖特基二极结构及其工作原理
mps 二极管的基本结构如图6所示，除了小尺寸p+区外，还存在用于提高器件浪涌可靠性的 大尺寸p+区 。其中小p+区的作用和jbs二极管中的p+区完全相同，而大p+区的作用在于提高器件在大电流下的 导通能力 。在大电流下，大p+区对应的pn结将会 开启 ，并向器件的漂移区 注入少数载流子 ；由此产生的电导调制效应将会极大地降低器件的 电阻 。
从器件的结构特征来说，m****ps二极管和jbs二极管 无****本质区别 ，其结构特征都是** p+区与肖特基区的交替排列**。两种器件的区别在于其工作模式：在jbs 二极管中，p+区仅仅在器件处于 反偏时****屏蔽高电场 ，以减小肖特基结处的 漏电 ，在器件处于正偏时并 不起作用 ；在mps二极管中，p+区在器件处于反偏时起到 相同的作用 ，同时在器件处于正偏且正偏电压较大时，同样会 参****与导电 ，以提高器件双极导通能力。
小米官方确认小米MIUI9重磅功能：将加入分屏显示功能
如何理解TN-S供电系统
华为高薪招募人工智能博士
OmniVision宣布推出全新的200万像素传感器
设备运维监控解决方案：雷蒙机可视化数据管理系统
碳化硅功率器件的工作原理详解
在icestick板子上实现从FPGA到USB Host的数据传输
iPhone X被99％的用户误会,问题都是有原因的
基于HarmonyOS运动员智能训练系统开发过程
蔚来汽车于美纽交所上市，未来如何？
灵高超声波可以焊接汽车尾灯吗？起到怎样的作用？
光纤放大器的放大自发辐射说明
AMD揭开Zen CPU核心技术Ryzen神秘面纱
开放原子开源基金会联合主办的2023 CCF中国开源大会正式开幕
中控智慧科技考勤机U560介绍
雷军：小米8真的不错，再战两年！
身份证拍照识别技术简介及其特点
IO-Link成为现代智能工厂的核心技术
10个和高速PCB设计相关的重要知识分享
德勤：2025年全球人工智能市场规模将超6万亿美元，复合增长率达30%
随着终端应用电子架构复杂程度提升，硅基器件物理极限无法满足部分高压、高温、高频及低功耗的应用要求。
近 20 多年来，以碳化硅(silicon carbide，sic)为代表的宽禁带半导体器件，受到了广泛的关注。sic中存在各种多型体(结晶多系)，它们的物性值也各不相同。
用于功率器件制作，4h-sic最为合适。sic材料具有3倍于硅材料的 禁带宽度 ，10倍于硅材料的 临界击穿电场强度 ，3倍于硅材料的 热导率 。因此 sic功率器件在高频、高压、高温等应用场合更具优势，且有助于电力电子系统的效率和功率密度的提升。
sic功率器件的优势
高耐压sic的绝缘击穿场强是si的 10倍 ，与si器件相比，sic可以通过更高的杂质浓度和更薄的厚度的漂移层作出600v～数千v的高耐压功率器件。
低导通电阻对于高耐压功率器件来说，阻抗主要由该漂移层的阻抗组成，因此采用sic可以得到单位面积导通电阻非常低的高耐压器件。理论上，相同耐压的器件，sic的单位面积的漂移层阻抗可以降低到si的 1/300 。
**高频 **传统的si材料为了改善伴随高耐压化而引起的导通电阻增大的问题，主要采用如 igbt (insulated gatebipolar transistor : 绝缘栅极双极型晶体管)等少数载流子器件(双极型器件)，采取这种方式会引入开关损耗大的问题，发热会限制igbt的 高频驱动 。 sic材料却能够以高频器件结构的多数载流子器件(肖特基势垒二极管和mosfet)去实现高耐压，从而同时实现 高耐压、低导通电阻、高频 这三个特性。
高温sic带隙较宽，是si的 3倍 ，因此sic功率器件即使在高温下也可以稳定工作。
sic二极管种类
sic功率二极管有4种类型：pin 二极管、肖特基二极管(schottky barrier diode，sbd)，结势垒肖特基二极管(junction barrier schottky diode，jbs)和混合式pin-肖特基二极管。
pin二极管结构及其工作原理
pin二极管的基本结构如图3所示。电力二极管为了承受高电压和大电流，内部结构和pn结有所不同，pin二极管中间较宽的为低掺杂浓度的 n-漂移区 (也称为基区)，两****边较窄的为高掺杂浓度阳极 p+区域和阴极n+区域，称为末端区 。
在正偏时，p区和n区的多子会注入到 i区 ，并在i区 复合 。当注入载流子和复合载流子相等时，电流i达到平衡状态。而本征层由于积累了大量的载流子而电阻变低，所以当pin二极管正向偏置时，呈 低阻特性 。正向 偏****压越大 ，注入i层的电流就越大，i层载流子越多，使得其 电阻越小 。
当反****偏时，由于实际的i层含有少量的p型杂质，所以在 in交界面处 ，i区的空穴向n区扩散，n区的电子向i区扩散，然后形成 空间电荷区 。由于i区杂质浓度相比n区很低，因此耗尽区几乎全部在i区内。在pi交界面，由于存在浓度差(p区空穴浓度远远大于i区)，也会发生扩散运动，但是其影响相对于in交界面小的多，可以忽略不计。所以当反****偏时，i区由于存在耗尽区而使得pin二极管呈现高阻状态。
肖特基二极管结构及其工作原理
肖特基二极管的基本结构如图4所示，本质上就是金属和半导体材料接触的时候，在界面半导体处的 能带弯曲 ，形成了 肖特基势垒 。金属和半导体接触的时候，电子会从半导体跑到金属里面去。
半导体失****去电子，就会 带正电 ，形成空间电荷区(由不可移动的正离子构成)，这个空间电荷区，会阻止半导体的电子继续向金属移动，也就是说形成了肖特基势垒。
当在肖特基势垒两端加上 正向偏压 (阳极金属接电源正极，n型基片接电源负极)时，肖特基 势垒层变窄 ，其 内阻变小 ，正向 导通 。反之，若在肖特基势垒两端加上反向偏压时，肖特基势垒层则 变宽 ，其 内阻变大 ，反向 截止 。
结势垒肖特基二极管结构及其工作原理
jbs 二极管的基本结构如图5所示，在jbs二极管中，阳极金属下方的肖特基接触部分和p+区部分 交错排列 。在正偏时，仅有肖特基接触部分参与 导电 ，器件的特性类似纯肖特基二极管；在反偏时，肖特基结两侧的p+区和n-外延层构成的p+/n-结形成的耗尽区相互接触，对肖特基接触形成了屏蔽，显著降低了其下方的 电场强度 ，从而降****低了 漏电流 。通过改变p+区和肖特基区的尺寸，在保持肖特基金属不变的前提下，很容易地调节器件的正向和反向特性；同时，jbs二极管还保留了纯肖特基二极管单极性导通、开关速度快的优势。
混合式pin-肖特基二极结构及其工作原理
mps 二极管的基本结构如图6所示，除了小尺寸p+区外，还存在用于提高器件浪涌可靠性的 大尺寸p+区 。其中小p+区的作用和jbs二极管中的p+区完全相同，而大p+区的作用在于提高器件在大电流下的 导通能力 。在大电流下，大p+区对应的pn结将会 开启 ，并向器件的漂移区 注入少数载流子 ；由此产生的电导调制效应将会极大地降低器件的 电阻 。
从器件的结构特征来说，m****ps二极管和jbs二极管 无****本质区别 ，其结构特征都是** p+区与肖特基区的交替排列**。两种器件的区别在于其工作模式：在jbs 二极管中，p+区仅仅在器件处于 反偏时****屏蔽高电场 ，以减小肖特基结处的 漏电 ，在器件处于正偏时并 不起作用 ；在mps二极管中，p+区在器件处于反偏时起到 相同的作用 ，同时在器件处于正偏且正偏电压较大时，同样会 参****与导电 ，以提高器件双极导通能力。
小米官方确认小米MIUI9重磅功能：将加入分屏显示功能
如何理解TN-S供电系统
华为高薪招募人工智能博士
OmniVision宣布推出全新的200万像素传感器
设备运维监控解决方案：雷蒙机可视化数据管理系统
碳化硅功率器件的工作原理详解
在icestick板子上实现从FPGA到USB Host的数据传输
iPhone X被99％的用户误会,问题都是有原因的
基于HarmonyOS运动员智能训练系统开发过程
蔚来汽车于美纽交所上市，未来如何？
灵高超声波可以焊接汽车尾灯吗？起到怎样的作用？
光纤放大器的放大自发辐射说明
AMD揭开Zen CPU核心技术Ryzen神秘面纱
开放原子开源基金会联合主办的2023 CCF中国开源大会正式开幕
中控智慧科技考勤机U560介绍
雷军：小米8真的不错，再战两年！
身份证拍照识别技术简介及其特点
IO-Link成为现代智能工厂的核心技术
10个和高速PCB设计相关的重要知识分享
德勤：2025年全球人工智能市场规模将超6万亿美元，复合增长率达30%