SiCer小课堂 l 碳化硅肖特基二极管的基本特征分析

发表时间：2019-12-26 18:00

碳化硅作为一种宽禁带半导体材料，比传统的硅基器件具有更优越的性能。碳化硅的宽禁带(3.26eV)、高临界场(3×106V/cm)和高导热系数(49W/mK)使功率半导体器件效率更高，运行速度更快，能够有效降低产品成本、体积及重量。

碳化硅具有载流子饱和速度高和热导率大的特点，应用开关频率可达到1MHz，在高频应用中优势明显，其中碳化硅肖特基二极管（SiC JBS）耐压可以达到6000V以上。

相对应的，硅材料的禁带宽度较低，在较低的温度下硅器件本征载流子浓度较高，而高的漏电流会造成热击穿，这限制了器件在高温环境和大功率耗散条件下工作。

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碳化硅肖特基二极管与硅快速恢复二极管

耐压特性比较

1、碳化硅肖特基二极管器件结构和特征

用碳化硅肖特基二极管替换快速PN 结的快速恢复二极管（FRD)，能够明显减少恢复损耗，有利于开关电源的高频化，减小电感、变压器等被动元件的体积，使开关电源小型化，并降低产品噪音。

2、碳化硅肖特基二极管的正向特性

碳化硅肖特基二极管的开启导通电压比硅快速恢复二极管较低，如果要降低VF值，需要减薄肖特基势垒的高度，但这会使器件反向偏压时的漏电流增大。

碳化硅肖特基二极管的温度特性与硅快速恢复二极管不同，当温度升高时导通阻抗会增加，VF值也上升，这样器件发热不易发生热失控，更适合并联使用。

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同等温度条件下，IF=10A时碳化硅与硅二极管正向导通电压比对，碳化硅肖特基二极管的导通压降为1.5V，硅快速恢复二极管的导通压降为1.7V, 碳化硅材料性能好于硅材料。

3、碳化硅肖特基二极管的恢复特性

硅快速恢复二极管存在反向漏电流较大和反向恢复时间长的问题，当二极管从正向导通状态切换到反向截止状态时，瞬间会产生极大的反向瞬态冲击电流，器件从正压导通转向反压截止偏压状态。此过程时间长，电流大，会产生较大的损耗，当器件正向电流越大及温度越高时，恢复时间和恢复电流就越大，损耗也就越大。

碳化硅肖特基二极管是一种多数载流子导电器件（单极性器件），在工作过程中不会发生少数载流子存储的现象，也不会产生过大的正反向切换瞬态冲击电流，只有结电容放电的小电流，因此碳化硅肖特基二极管的开关损耗比硅快速恢复二极管更低。使用碳化硅肖特基二极管可以减少损耗，能快速稳定实现器件的正反切换，提高产品的效率和降低产品噪音，同时易于改善EMI。

以下测试结果基于基本半导体碳化硅肖特基二极管B1D20065K(650V/20A),电流特性（5A、10A、15A）：

硅快速恢复二极管（环境温度25℃）

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碳化硅肖特基二极管（环境温度25℃）

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硅快恢复二极管在5A、10A和15A对应的反向恢复电流分别是9.3A、13.0A和15.8A；
碳化硅肖特基二极管在5A、10A和15A对应的反向恢复电流分别是2.5A、3.1A和3.6A；

从测试数据来看，在5A、10A、15A三等级电流测试中，碳化硅肖特基二极管的反向恢复电流比硅快恢复二极管小，有利提升产品效率。

硅快速恢复二极管（10A）

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碳化硅肖特基二极管（10A）

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在25℃和125℃时，硅快恢复二极管的反向恢复电流分别是13.2A和24.4A；
在25℃和125℃时，碳化硅肖特基二极管的反向恢复电流分别是3.0A和3.1A；

从测试数据来看，在同等温度条件下，IF=10A时，碳化硅肖特基二极管的反向恢复电流低于硅快恢复二极管，因此碳化硅肖特基二极管的损耗同样低于硅快恢复二极管。

4、基本半导体碳化硅肖特基二极管主要特性参数及应用

最高反向工作电压（VRSM）：二极管能承受的最大反向电压；
正向连续导通电流（IF）：二极管长期连续工作时所允许通过的最大正向电流，IF值与器件结温呈负相关关系，结温越高，IF值越小。

正向瞬时导通电流（IF）：IFSM及IFMAX越大，瞬时抗冲击浪涌能力越强。

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正向电压（VF）：正向电压越大，二极管的功耗越大，其值越小越好。

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工作温度（Tj）: Tj的工作温度越宽，说明器件的高温特性越好，可以在高温下工作，不影响器件的性能。

反向饱和电流（IR）：也称为漏电流，在反向偏压一定的情况下，反向饱和电流的大小决定了二极管自身的损耗，反向饱和电流越大，二极管的功耗越大，器件本体发热越严重，因此反向饱和电流直接影响二极管的可靠性，其值越小越好；
电荷电容（QC）：QC越大，二极管的开关损耗越大；

热阻Rth(jc): Rth(jc)值越小，在使用中二极管管芯向外部散热速度越快，器件温度越低，散热效果越好，器件工作稳定性越好。

基本半导体自主研发推出了650V、1200V、1700V系列标准封装碳化硅肖特基二极管及1200V碳化硅MOSFET产品，具有极高的工作效率，性能优越达到国际先进水平，可广泛应用于新能源充电桩、光伏逆变器、5G微基站电源、轨道交通系统中的辅助电源以及车载OBC等功率因数校正电路（PFC 电路）和DC/DC整流输出电路中。