功率二极管的重要性与硅极限

  SIC肖特基二极管主要应用于功率电子系统。功率电子系统的性能主要由功率开关器件或快速二极管半导体功率器件决定。近几年，硅基开关器件稳步发展，包括近10～15年内，绝缘栅双极晶体管(IGBT)商业化。在大部分600V到3.3kV的功率电路应用中，IGBT主导着功率半导体器件的主要市场。快速IGBT开关延时小于100ns，而且具有电导调制效应。商业化的CoolMOS器件，可以提供600～800V的功率MOSFETs，比导通电阻(R_sp,on)为传统结构功率MOSFET的1/5，打破了Si单极器件R_sp,on的理论极限。CoolMOS类单极器件可以用作开关，而且开关延时小于10ns。

  硅基快速功率器件的发展存在一定的局限性。Si肖特基二极管由于开态电阻和漏电流大，而不适合实际应用，因此在600V～1.5kV范围内，占据大部分有利市场份额的器件一直使用Si PIN二极管。当传导正向电流时，PIN功率二极管结构的少数载流子注入效应很强，调制了器件漂移区的电导，降低了器件漂移区电阻。当器件进入反偏时，注入的少数载流子必须从Si PIN二极管的漂移区移走。与单极器件的肖特基二极管相比，这种电荷抽取很大程度上减慢了二极管从正向导通态到反向阻断态的转换。在600～1200V击穿电压范围内，最快的Si功率二极管反向恢复时间在50～100ns之间。这种恢复时间不能满足电路的应用需求，而且存在大量来自功率开关和二极管本身的开关损耗。PIN二极管的速度小于电路所需的功率开关速度，成为功率电子系统进一步发展的制约因素。
  前面的几节中指出，SIC肖特基二极管的比导通电阻比Si低2～3个数量级。因此，在2～3kV电压范围内开发单极SIC肖特基器件可以适当降低开态电阻。实现600V～3kV的单极二极管对功率电子应用有很强的吸引力。
  早在1993年就已经制备出了高压(～1000V)肖特基二极管，然而，20世纪90年代中期之前报道的大部分二极管尺寸太小，不能达到实际功率电路所需的电流。随着高质量SIC晶片缺陷的减少，1998年报道了SIC肖特基二极管可以传导大电流(大于几个安培)，随后的2001年也进行了相同的报道，接着一些功率半导体器件厂商，包括Cree Inc和Infineon AG成功实现了SIC SBD的商业化生产。现在，Infineon已经分别具有了电流能力从12A到20A的300～600V的SIC SBD的生产能力。Cree公司生产了电流高于20A的300V、600V和1200V的SIC SBD。这些SIC SBD的商业化给功率电子应用，包括高频开关模式电源、功率因数较正，以及中等功率驱动等，提供了新的发展机遇。



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