AMEYA360代理丨ROHM SiC基础篇：SiC-SBD与Si-SBD比较——结构相近，为何SiC能突破200V耐压极限？

　　ROHM(罗姆)成立于1958年，总部位于日本京都，是全球知名半导体制造商，深耕功率半导体与碳化硅(SiC)技术多年，拥有自研 SiC 工艺与迭代升级的第四代、第五代 SiC 器件。ROHM SiC 产品以超低导通电阻、极低开关损耗、高耐温与高可靠著称，覆盖 SiC 肖特基势垒二极管(SiC-SBD)、SiC MOSFET、全 SiC 功率模块及混合 SiC 模块等，广泛应用于新能源汽车、光伏逆变、储能、充电桩、工业电源、服务器电源、UPS、电机驱动等大功率高性能场景。在 SiC-SBD 方面，ROHM 已量产 650V、1200V 产品，并持续开发 1700V 等更高耐压器件。

　　Ameya 作为 ROHM 官方授权代理商，全权承接 ROHM 全系列高性能 SiC 器件，可为客户提供原厂正品现货、样品申请、批量供货、BOM 配套、替代料建议、精准选型、交期管理及全程售后技术服务。

　　继SiC功率元器件的概述之后，将针对具体的元器件进行介绍。首先从SiC肖特基势垒二极管开始。

　　SiC肖特基势垒二极管和Si肖特基势垒二极管

　　下面从SiC肖特基势垒二极管(以下简称“SBD”)的结构开始介绍。如下图所示，为了形成肖特基势垒，将半导体SiC与金属相接合(肖特基结)。结构与Si肖特基势垒二极管基本相同，其重要特征也是具备高速特性。

　　而SiC-SBD的特征是其不仅拥有优异的高速性还同时实现了高耐压。要想提高Si-SBD的耐压，只要增厚图中的n-型层、降低载流子浓度即可，但这会带来阻值上升、VF变高等损耗较大无法实际应用的问题。因此，Si-SBD的耐压200V已经是极限。而SiC拥有超过硅10倍的绝缘击穿场强,所以不仅能保持实际应用特性且可耐高压。

　　ROHM的650V和1200V的SiC-SBD已经实现量产，1700V产品正在开发中。

　　SiC-SBD和Si-PN结二极管

　　通过Si二极管来应对SBD以上的耐压的是PN结二极管(称为“PND”)。下图为Si-PN二极管的结构。SBD是仅电子移动，电流流动，而PN结二极管是通过电子和空穴(孔)使电流流动。通过在n-层积蓄少数载流子的空穴使阻值下降，从而同时实现高耐压和低阻值，但关断的速度会变慢。

　　尽管FRD(快速恢复二极管)利用PN结二极管提高了速度，但尽管如此，trr(反向恢复时间)特性等劣于SBD。因此，trr损耗是高耐压Si PN结二极管的重大研究项目。此时，开关电源无法对应高速的开关频率也是课题之一。

　　右上图表示Si的SBD、PND、FRD和SiC-SBD耐压的覆盖范围。可以看出SiC-SBD基本覆盖了PND/FRD的耐压范围。SiC-SBD可同时实现高速性和高耐压，与PND/FRD相比Err(恢复损耗)显著降低，开关频率也可提高，因此可使用小型变压器和电容器，有助于设备小型化。

　　以下是1200V耐压SiC-SBD技术规格的一部分。后续将针对主要特性进行介绍。

　　面对SiC-SBD和Si-PND的特征进行了比较。接下来比较SiC-SBD和Si-PND的反向恢复特性。反向恢复特性是二极管、特别是高速型二极管的基本且重要的参数，所以不仅要比较trr的数值，还要理解其波形和温度特性，这样有助于有效使用二极管。

　　SiC-SBD和Si-PND的反向恢复特性的不同

　　首先，反向恢复或恢复是指二极管在呈反向偏置状态时，无法立即完全关断，有时会出现反向电流的现象。trr是其反向电流的流动时间。此时，前文提到SiC-SBD的trr比包含Si-FRD在内的Si-PND高速。下面我们来了解其原因和实际特性。

　　简单地说,trr的速度和反向恢复特性的不同是因为二极管构造不同。这就需要谈到在半导体中移动的电子和空穴。先通过波形图来了解SiC-SBD和Si-PND反向恢复特性的不同。

　　右侧波形图为SiC-SBD和高速PND即Si-FRD反向恢复时的电流和时间。从波形图可见红色的SiC-SBD反向电流少，trr也短。顺便一提，本特性因为反向电流的损耗而需要进行研究探讨。

　　在这里，通过各二极管的断面图进行介绍。下图为Si-PND的偏置从正向偏置转换为反向偏置时电子和空穴的移动。

　　正向偏置时注入载流子，通过空穴和电子的重新结合使电流流动。如果是反向偏置的话，n层的空穴(少数载流子)会花些时间返回p层，到完全返回为止(一部分因为寿命而消失)均有电流流动。这就是反向恢复电流。

　　第2个图为SiC-SBD转换为反向偏置时的示意图。因肖特基势垒结构而不存在PN结,所以没有少数载流子，在反向偏置时n层的多数载流子(电子)只需要返回,因此只需要很少的反向恢复时间，其关断时间比PND明显缩短。

　　这种反向恢复时间的差异均因为二极管结构。因此，Si-SBD的反向恢复也是高速。然而，Si-SBD现状的耐压界限是200V左右，在比其更高的电压下不能使用。而使用SiC的话，可以做出超过600V的高耐压SBD。这就是SiC-SBD的一大优点。

　　下面是反向恢复特性的温度依赖性和电流依赖性相关数据。

　　上段的波形图和图表表示不同温度的不同反向恢复特性。Si-FRD的温度上升时载流子浓度也随之上升，因此需要相应的反向恢复时间。随着室温的增高，反向电流和trr也会变大。而SiC-SBD因为SiC本身基本上没有温度依赖性，所以反向电流特性基本没有变化。将trr的差制作了右上的图表，通过对两种Si-FRD的比较，发现SiC-SBD的trr基本上不存在温度依赖性。

　　下段的波形图表示与正向偏置时的正向电流IF的关系。由波形图可观察到SiC-SBD几乎不受影响。

　　最后，虽然前面表述为SiC–SBD几乎没有反向电流，在波形图里可明显看出SiC-SBD比Si-FRD少很多，但也不是一点没有。这是因为二极管中寄生的结电容带来的影响。因此，SiC-SBD与Si-PND相比，反向电流并不是零，而是明显减少。

　　前面对SiC-SBD和Si-PND的反向恢复特性进行了比较。下面对二极管最基本的特性–正向电压VF特性的区别进行说明。

　　SiC-SBD和Si-PND正向电压特性的区别

　　二极管的正向电压VF无限接近零、对温度稳定是比较理想的，但事实是不是零、并会受温度影响而变动。为了使大家了解SiC-SBD的VF特性，下面与Si-PND的FRD(快速恢复二极管)进行比较。

　　下图是相对于SiC-SBD和Si-FRD的正向电流IF的VF特性图。是从25℃到200℃按8个级别的温度条件测量的数据。

　　SiC-SBD随着温度的上升，IF开始流动，VF有些下降，但因电阻上升，斜率变缓和，在正常使用范围的IF下，VF上升。

　　Si-FRD随着温度的上升，VF单纯地下降。如图中的线条轨迹所示，无论哪个温度，斜率基本相同，VF单纯下降。

　　这些特性取决于其各自的物理特性和结构，但也各有各的优缺点。刚才提到理想的二极管。那么，Si-FRD的VF随着温度升高而下降，传导损耗减少，看起来好像是好事，但随着VF的下降，IF增加，即使损耗略有下降，但发热増加量更胜一筹，甚至可能陷入VF下降、IF增加的热失控状态。

　　而SiC-SBD随着温度升高，VF变高，不会热失控。但是VF上升，因此具有IFSM(瞬间大电流耐受能力)比Si-FRD低的缺点。

　　SiC-SBD的VF特性改善

　　为提升具有卓越本质的SiC-SBD的特性，使之更加易用，开发了VF降低的新一代产品。ROHM开发了第2代系列产品。ROHM的第1代产品及其他公司类似产品的VF当IF=10A时为1.5V，而第2代产品的VF低至1.35V。下图是参考值，是25℃和125℃时的IF vs VF示意图。

　　红色线条是ROHM第2代SiC-SBD的VF特性。

　　trr和VF损耗相关的研究

　　本篇介绍了SiC-SBD和Si-FRD的VF特性区别，下面看一下包括前篇的trr特性在内的损耗相关内容。

　　为对SiC-SBD进行说明，对trr和VF进行了与Si-PND(FRD)的比较，这是有原因的。左下图是本章开头对Si二极管和SiC二极管的耐压范围进行说明时使用的。关键在于，Si-PND/FRD和SiC-SBD的耐压范围基本相同，可用于相同应用。SiC-SBD是新的元器件，换个说法可以说，现有Si-PND/FRD覆盖的范围基本上都可以用SiC-SBD替换。

　　尤其是高速性很重要的应用等，在Si-FRD和SiC-SBD两者间权衡时，要想选出最适当的二极管，需要理解两者的特性。另外，毋庸置言，在探讨事项中“损耗降低”是最重要的课题。

　　前篇的trr对应开关损耗，本篇的VF对应传导损耗。关于Si-FRD和SiC-SBD，右下图是这两种损耗的情况。

　　trr越快VF越低，综合损耗越小。Si-FRD是trr越快，VF反而增加。而第2代SiC-SBD在保持传统SiC-SBD高速trr的基础上，将VF从1.5V降低到1.35V。

　　在目前情况下，功率Si-FRD和SiC-SBD中，第2代SiC-SBD最具有降低损耗的可能性。

　　Ameya：ROHM 代理商，助力 SiC-SBD 落地

　　Ameya 作为 ROHM 官方授权代理商，全权承接 ROHM 全系列高性能 SiC 器件，可为客户提供原厂正品现货、精准选型、技术方案支持、样品申请及全程售后配套服务。

　　ROHM SiC 产品包括：

　　ROHM SiC 肖特基势垒二极管(SiC-SBD)

　　ROHM SiC MOSFET

　　ROHM 全 SiC 功率模块、混合 SiC 模块

　　SiC 功率元器件可广泛应用于新能源汽车、光伏逆变、储能、充电桩、工业电源、服务器电源、UPS、电机驱动等领域。具体型号、电压/电流等级、封装与参数，请以 ROHM 最新数据手册为准。

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