功率二极管是功率半导体器件的重要组成部分,主要包括 PiN 二极管,肖特基势垒二极管和结势垒控制肖特基二极管。本章主要介绍了肖特基势垒的形成及其主要电流输运机理。并详细介绍了肖特基二极管和结势垒控制肖特基二极管的电学特性及其工作原理,为后两章对 4H-SiC JBS 器件电学特性的仿真研究奠定了理论基础。
金属与半导体的功函数不同,电荷越过金属/半导体界面迁移,产生界面电场,半导体表面的能带发生弯曲,从而形成肖特基势垒,这就是肖特基接触。金属与半导体接触形成的整流特性有两种形式,一种是金属与 N 型半导体接触,且 N 型半导体的功函数小于金属的功函数;另一种是金属与 P 型半导体接触,且 P 型半导体的功函数大于金属的功函数。
产生二次击穿的原因主要是半导体材料的晶格缺陷和管内结面不均匀等引起的。二次击穿的产生过程是:半导体结面上一些薄弱点电流密度的增加,导致这些薄弱点上的温度增加引起这些薄弱点上的电流密度越来越大,温度也越来越高,如此恶性循环引起过热点半导体材料的晶体熔化。此时在两电极之间形成较低阻的电流通道,电流密度骤增,导致肖特基二极管还未达到击穿电压值就已经损坏。因此二次击穿是不可逆的,是破坏性的。流经二极管的平均电流并未达到二次击穿的击穿电压值,但是功率二极管还是会产生二次击穿。
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。
肖特基二极管,又称热载流子二极管,通过金属和半导体接触(肖特基接触)形成肖特基势垒,实现整流。与普通PN结二极管相比,肖特基二极管的反向恢复惯性非常低。因此,肖特基二极管适用于高频整流或高速开关。