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。