SI和SIC碳化硅二极管性能对比分析

  为了更好的体现4H-SIC pn结型二极管正偏压时候的优越性能，将4H-SIC pn结二极管和Si pn结二极管进行仿真对比。
 
  1. Si和SIC二极管I-V特性
  以4H-SIC pn结二极管为例，如图1是Si和SIC材料二极管300K下正向I-V特性，其中I_L为大注入时电压电流变化关系，I_D为小注入时电压电流变化趋势。

 
  在电流为10μA时，Si、SIC二极管理想因子均为I，工作在少子扩散区，此时Si二极管的电压为0.6V，SIC二极管的电压为2.55V。可以看出，SIC二极管正向压降较大，因此SIC的禁带宽度远高于Si材料的禁带宽度。通过计算得出在理想因子n=1，Si半导体材料的禁带宽度E_g约为1.1eV左右，SIC半导体材料的禁带宽度E_g约为3.3eV左右。
 
  2. 电流随温度变化趋势
  二极管正向工作区由三部分组成：小电流区、少子扩散区，以及空间电荷区复合作用下的大电流区。小注入时可以认为扩散区里到处电场强度都等于零，注入载流子只作扩散运动。大注入是指正偏工作时注入载流子密度等于或高于平衡态多子密度的工作状态。P+n结随正向电流增加，满足P_n≥n_n0即为大注入。  
  图2 SIC pn结型二极管和4H-SIC pn结型二极管扩散电流区最大电流及最小电流与温度关系，其中I_L为大注入时电压电流变化关系，I_D为小注入时电压电流变化趋势。可以看出，随着温度升高，二极管扩散区的电流适用范围逐渐减小。Si pn结型二极管在300K时，电流范围约为10^-10~1A，达到550K时，电流范围10²~10^-1A，电流范围趋近于零，二极管特性基本消失。4H-SiC pn结型二管在300K时，电流范围约为10^-14~10^-2A，达到550K时，电流范围为10^-9~10^-3A。当其至700K时，电流范围为10^-7~10^-3A，这是由于宽禁带特性，扩散区的范围缓慢减小，在达到700K时仍具有一定的工作区。
 
  3. 扩散区电流范围对比
  图3是以二极管扩散区电流范围∆I的对数为纵坐标，温度T为横坐标，更为直观的表现出两种不同材料二极管的电流范围变化。对比Si二极管、SiC二极管随着温度升高的扩散区电流范围的变化。Si pn结型二极管在300K时，电流范围约为10个数量级，达到550K时，电流范围趋近于零，二极管特性基本消失。4H-SIC pn结型二极管在300K时，电流范围约为10个数量级，达到550K时，电流范围6个数量级。当其至700K时，电流范围3个数量级，这是由于宽禁带特性，扩散区的范围缓慢减小，在达到700K时仍具有一定扩散区范围。  
  由此可知，宽禁带材料的优越性能显著，在高温下其耐高温特性尤为突出。700K时4H-SIC pn结型二极管仍有二极管特性，这主要是由于SIC材料的宽禁带持件，使得电流在高温下仍因少数载流子扩散引起，因此仍具有理想因子接近的扩散区范围。体现了SIC二极管的耐高温性。因此，对极端条件下选取4H-SIC pn结二极管适用扩散区范围达到理想工作状态有重要意义。
 
  4. 结论
  本文研究了温度对4H-SIC pn结型二极管的正向工作区的影响。通过模拟I-V曲线和理想因子的变化，表明了4H-SIC pn结型二极管的耐高温特性，随着温度升高，扩散区的范围逐渐减小。同时得出宽禁带材料二极管高温下的反向漏电流极小，在600K时SIC pn结型二极管在高温阻断状态下的漏电流可忽略，可以有效避免二次击穿发生。
  外延层厚度对4H-SIC pn结型二极管的反向特性影响，设置厚度依次1.2μm、2μm、2.8μm、3.8μm，模拟表明外延层厚度对临界击穿电压影响很大，厚度越大，反向击穿电压越大。
  通过4H-SIC pn结型二极管与Si pn结型二极管做对比仿真，Si二极管在达到550K时，范围趋近于零，二极管特性消失。而SIC二极管由于宽禁带特性，扩散区的范围缓慢减小，在达到700K时仍具有一定的工作区，性能远远优于Si pn结型二极管。通过对4H-SIC pn结型二极管的正反偏移工作范围、临界击穿电场范围等参数分析。对选取4H-SIC pn结型二极管适用工作区范围有参考意义。


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