使用混合式 PiN 特基二極體增進 SiC 裝置效率

碳化矽 (SiC) 比矽 (Si) 更具優勢，因此特別適用於快速電池充電器、光電 (PV) 電池轉換器和牽引逆變器等應用中的肖特基二極體。儘管如此，設計人員仍有進一步提升效率的壓力。

有兩種方法可利用 SiC 裝置達到此目標，包括減少漏電流，以及降低熱阻引起的損耗。雖然達成這些目標一向都不簡單，但混合式 PiN 肖特基 (MPS) 二極體可提供解決方案。MPS 裝置亦可增強肖特基二極體的突波電流效能。

本文將介紹 SiC 肖特基二極體在高功率應用中相對於傳統二極體的優勢，並且概述可以進一步提高效能的層面。接著會介紹 Nexperia 的 MPS 二極體範例，概述其關鍵特性，並探討設計人員如何從應用中受益。

SiC 肖特基二極體的優勢

與傳統 Si P-N 接面相比，SiC 肖特基二極體的優勢來自於底層半導體材料的特性及其設計。SiC 具有比矽更寬的能隙。能隙是電子在半導體中從價帶移動到傳導帶所需的能量，更是決定材料導電性的關鍵因素。

與矽元件相比，SiC 具有更寬的能隙，因此其介電崩潰電場的強度高一個數量級，並能以更薄的漂移層達到相同的額定電壓。漂移層是傳統二極體的 P 層和 N 層之間的微摻雜層，或是 SiC 肖特基二極體的金屬層和 P 層之間的微摻雜層。較薄的漂移層具有更低的電阻率，且因為裸晶尺寸更小，因此導電效能更優異。

SiC 的另一個優點在於導熱性提高大約 3.5 倍，因此能改善指定晶片面積的功率耗散。SiC 的最高工作溫度幾乎是矽的兩倍。採用更小的裸晶尺寸可降低裝置的自電容，並且在指定的電流和電壓額定值下，相關電荷會更低。這些特性和 SiC 更高的電子飽和速度可促成更快的切換速度和更低的損耗。

從結構的角度來看，肖特基二極體摒棄了 P 型，而是使用一層薄金屬 (鉑、鎢、金或其他金屬) 接合到 N 型材料上，而非採用傳統的 P-N 接面。這種接合會形成金屬-半導體 (M-S) 結面，稱為肖特基能障 (圖 1)。

圖 1：肖特基二極體用金屬取代傳統二極體 (上圖) 的 P 型半導體，形成 M-S 接面 (下圖)。(圖片來源：DigiKey)

M-S 接面在順向和逆向偏壓情況下產生的電子空乏區比 P-N 接面更窄 (圖 2)。較窄的空乏區讓肖特基二極體享有一個關鍵優勢：比傳統二極體更低的順向電壓 (V_F)。順向偏壓時，肖特基二極體通常會以幾百 mV 開始導通，反觀 P-N 接面則為 0.6 至 0.7 V。此特性有利於電池供電式裝置等低功耗應用。

圖 2：肖特基二極體空乏區在順向和逆向偏壓情況下都更窄，因此順向電壓更低，也可減少損耗。(圖片來源：DigiKey)

肖特基裝置僅可透過多數載流子 (電子) 導通，當元件順向偏壓時，二極體接面空乏層中儲存的電荷可以忽略不計。這可在二極體從順向切換到逆向偏壓時，限制損耗 (和功率耗散)。相比之下，P-N 接面二極體可透過少數和多數載流子導通，這會導致空乏層中儲存更多電荷。如此一來，P-N 裝置的切換損耗會更高，且隨著頻率增加而倍增。

總而言之，比起 P-N 裝置，肖特基二極體的功耗更低，而且在高功率應用中的散熱效率也更高。耗散減少能讓肖特基二極體承受更高的溫度，達到更穩健的效能和更優異的可靠性，而不會有熱失控的風險。

肖特基二極體的窄空乏區還有另一項優點，就是讓元件享有更低的電容值。搭配 SiC 二極體的「緩切換」行為，低電容值可大幅降低電磁干擾 (EMI)。

如何讓 SiC 肖特基二極體更優異

SiC 肖特基二極體不斷改進。舉例而言，現代 SiC 裝置的窄空乏區會讓 M-S 接面製造時出現的缺陷所造成的影響倍增，進而在二極體逆向偏壓時造成高漏電流。此外，較窄的空乏區會讓 SiC 肖特基二極體無法承受高逆向電壓 (V_R)。肖特基二極體可以承受數十伏特 V_R，而 P-N 接面則可承受數百伏特。

有個解決方案可克服 SiC 二極體的高漏電流問題，就是將二極體的漂移層和基板加厚。然而，這會增加電阻和熱阻，在指定電流下會推高 V_F 與接面溫度 (T_J)。此外，加厚漂移層會拉高電阻，進而衝擊突波電流的效能。

Nexperia 利用其 MPS 二極體克服此難題。Nexperia 的 PSC 系列 MPS 結構使用兩種類型的二極體，包括 SiC 肖特基二極體以及並聯的 P-N 裝置。P 型摻雜的「井」會植入到傳統肖特基裝置的漂移區，與肖特基陽極處的金屬形成 P 型歐姆觸點，並與微摻雜的 SiC 漂移或外延層形成 P-N 接面 (圖 3)。

圖 3：MPS 結構採用兩種二極體類型，包括 SiC 肖特基二極體與 P-N 裝置且兩者會並聯擺放。P 型摻雜區會植入到漂移區，與金屬一同形成 P 型歐姆觸點，並與 SiC 漂移層或外延層形成 P-N 接面。(圖片來源：Nexperia)

在逆向偏壓下，P 型摻雜井會促使最大電場強度向下游移動到幾乎無缺陷的漂移層中，遠離具有缺陷的金屬屏障，進而降低整體漏電流 (圖 4)。

圖 4：在 SiC 肖特基二極體中添加 P 型摻雜井會讓逆向偏壓下的最大電場強度區域遠離陽極金屬，因此可達到更低的漏電流。(圖片來源：Nexperia)

P 型摻雜井的位置、面積和摻雜濃度會影響末端特性，並導致在漏電流與突波電流下要對 V_F 壓降進行取捨。如此一來，MPS 裝置就能在比傳統 SiC 二極體更高的崩潰電壓下工作，但具有相同的漏電流和漂移層厚度。

肖特基二極體 (一種單極裝置) 與 P-N 二極體 (雙極) 的混合式搭配已決定 P-N 接面在正常情況下不會導通，並可達到幾乎沒有逆向恢復損耗的效果。然而，此混合式配置會提高突波電流額定值，因為 P-N 二極體會在發生暫態過流事件時導通，以便有效保護此混合式元件。

由於 MPS 二極體在標稱情況下的行為類似於肖特基二極體，因此這些裝置可展現出單純的電容式切換行為，因此與具有相同電氣額定值的 Si 快速恢復二極體相比，可達到更低的逆向恢復電荷 (Q_RR)。Q_RR 是二極體中儲存的電荷，必須經過重新組合後，二極體才能阻斷逆向電壓，這也是矽二極體的主要損耗原因之一。

圖 5 針對矽二極體與 SiC 二極體 (Nexperia 的 PSC1065HJ) 的逆向恢復行為進行比較。SiC 二極體可達到純電容式切換，因此 Q_RR 最小。Q_RR 相當於 I_F = 0 軸下的圖形面積。

圖 5：此為矽二極體 (左) 與 SiC 二極體 (右) 的逆向恢復行為比較。SiC 二極體可展現單純的電容式切換，因此可達到最小的 Q_RR。(圖片來源：Nexperia)

減少製造過程中的漂移層厚度

與傳統的 SiC 二極體相比，MPS 二極體的漏電流明顯降低，因此可以減少漂移層的厚度而達到優勢。如上所述，對傳統 SiC 二極體來說，其漂移層比矽二極體用的更厚，以保持低漏電流。

在製造過程中，未經處理的 SiC 基板經過 N 型摻雜，而 SiC 外延層會「擴大」以形成漂移區。基板的厚度可達 500 微米 (μm)，這可對接面到背面金屬之間的電流與高溫流動路徑增加電阻和熱阻。如此一來可針對指定電流提高 V_F 壓降和 T_J。

有個解決方案可降低漂移層的電阻和熱阻，就是在製造過程中藉由研磨來減少基板底面的厚度 (圖 6)。如此一來，MPS 二極體可在指定工作條件下，比同類 SiC 二極體達到更低的工作溫度、更高的可靠性、更高的突波電流能力和更低的 V_F 壓降。

圖 6：減少基板底面的厚度 (右) 能讓 MPS 二極體與同類 SiC 二極體相比，達到更低的工作溫度、更高的可靠性、更高的突波電流能力和更低的 V_F 壓降。(圖片來源：Nexperia)

商業選項

Nexperia 提供多種 MPS 二極體，適合眾多應用，如電池充電基礎設施、伺服器和電信電源供應器、不斷電系統和光電逆變器等。

PSC0665HJ (圖 7) 是採用 DPAK R2P (TO-252-2) 表面黏著封裝的 MPS SiC 肖特基二極體。從接面到外殼的熱阻 (R_th(j-c)) 為 2.7 K/W。總功耗 (P_tot) (T_c ≤ +25°C) 為 115 W。此二極體提供不受溫度影響的電容式關斷和零恢復切換行為，並具有良好的效能指數 (FOM) (FOM = 總電容電荷 (Q_C) x V_F)。此元件可提供堅定的突波電流保護，可由高非重複峰值順向電流 (I_FSM) 指出。

圖 7：PSC0665HJ 是封裝在 DPAK R2P (TO-252-2) 中的 MPS SiC 肖特基二極體。(圖片來源：Nexperia)

PSC0665HJ 的 Q_C 為 14 nC (在 V_R = 400 V、dI_F/dt = 200 A/μs；順向電流 (I_F) ≤ 6 A；T_J = +25°C) 且 V_F = 1.5 V (I_F = 6 A；T_J = +25°C 下)。這能讓二極體的 FOM 達到 14 nC x 1.5 V = 21 nJ。

最大重複峰值逆向電壓 (V_RRM) 為 650 V。在 +25°C 時，逆向電流 (I_R) 為 1 μA，V_R 為 650 V。最大順向電流 (I_F) 為 6 A、最大 I_FSM 為 300 A (t_p = 10 μs；方波；T_c = +25°C) 或 36 A (t_p = 10 ms；半正弦波；T_c = +25°C)。

PSC2065LQ 是 Nexperia MPS SiC 肖特基二極體系列的另一款產品。此裝置採用 TO247 R2P (TO-247-2) 通孔功率塑膠封裝。從接面到外殼的熱阻 (R_th(j-c)) 為 1 W。P_tot (T_c ≤ +25°C) 為 115 W。

PSC2065LQ 的 Q_C 為 41 nC (在 V_R = 400 V 時；dI_F/dt = 200 A/μs；I_F ≤ 20 A；T_j = +25°C)_{，且 VF =} 1.5 V (在 I_F = 20 A 時；T_J = +25°C)。此時 FOM 可達到 41 nC x 1.5 V = 61.5 nJ。

V_RRM 為 650 V。在 +25°C、V_R 為 650 V 時，I_R 為 1 μA。最大 I_F 為 10 A、最大 I_FSM 為 440 A (t_p = 10 μs；方波；T_c = +25°C) 或 52 A (t_p = 10 ms；半正弦波；T_c = +25°C)。

結論

與矽相比，SiC 肖特基二極體具有優異的技術優勢，例如明顯更好的切換效能，以及更高的切換頻率，且不會犧牲輸出功率或整體系統效率。Nexperia 的混合式 MPS 結構能利用 SiC 肖特基二極體與 P-N 二極體並聯的優勢，為 SiC 肖特基二極體提供更多的效能提升。如此一來，裝置就可在指定的工作條件下，展現比同類 SiC 二極體更低的工作溫度、更高的可靠性、更高的突波電流能力和更低的 V_F 壓降。