利用合并引脚肖特基二极管提高 SiC 器件的效率

碳化硅 (SiC) 在许多方面优于硅 (Si)，特别适合用于电池快充、光伏 (PV) 电池转换器和牵引逆变器等应用中的肖特基二极管。尽管如此，设计人员仍需要进一步提升器件效率。

利用碳化硅器件实现这一目标有两种途径：一是降低漏电流，二是减少因热阻引起的损耗。尽管实现这些目标具有挑战性，但合并引脚肖特基 (MPS) 二极管提供了一种解决方案。MPS 器件还能提高肖特基二极管的浪涌电流性能。

本文将介绍 SiC 肖特基二极管相比传统二极管在大功率应用方面的优势，并概述在哪些方面可以进一步提高性能。然后以 Nexperia 提供的 MPS 二极管为例展开介绍，总结这种器件的关键特性，并探讨设计人员如何通过使用这些器件来获得优势。

SiC 硅肖特基二极管的优势

与传统的 Si P-N 结相比，SiC 肖特基二极管的优势源自于底层半导体材料的特性及其设计。SiC 的带隙比 Si 宽。带隙是将电子从半导体中的价带移至导带所需的能量，是决定材料电导率的关键因素。

SiC 具有更宽的带隙，在相同额定电压下具有比 Si 器件高出一个数量级的介电击穿场强，同时具有更薄的漂移层。漂移层是传统二极管 P 层和 N 层之间的轻掺杂层，或是 SiC 肖特基二极管的金属层和 P 层。更薄的漂移层具有更低的电阻率和更好的导电性能，并且芯片尺寸更小。

SiC 的另一个优点是其热导率大约高 3.5 倍，从而在一定芯片面积内提高了功率耗散。SiC 的最高工作温度几乎是 Si 的两倍。使用尺寸更小的芯片可降低器件的自电容，在规定的额定电流和电压条件下，相关的电荷也更低。这些特性以及 SiC 更高的电子饱和速度，使得开关速度更快，损耗更低。

肖特基二极管在结构上摒弃了传统的 P-N 结和 P 型材料，而是使用与 N 型材料键合的薄金属层，如铂、钨、金或其他金属。这种键合形成的“金属-半导体 (M-S)”结称为肖特基势垒（图 1）。

图 1： 肖特基二极管用金属取代传统二极管的 P 型半导体（上），形成 M - S 结（下）。（图片来源：DigiKey）

与 P-N 结相比，M-S 结在正向和反向偏压条件下产生较窄的电子耗尽区（图 2）。较窄的耗尽区给肖特基二极管带来一个关键优势：比传统二极管更低的正向电压（V_F）。正向偏置时，肖特基二极管通常在几百毫伏电压下开始导通，而 P-N 结则需要 0.6 V 至 0.7 V 才开始导通。这一特性有利于如电池供电型设备等低功耗应用。

图 2：在正向和反向偏压条件下，肖特基二极管耗尽区都较窄，因此能降低正向电压和损耗。（图片来源：DigiKey）

肖特基器件仅通过多数载流子（电子）导电，当器件正向偏置时，二极管结耗尽层中存储的电荷可忽略不计。这会限制二极管开关从正向偏置切换至反向偏置时的损耗（和功率耗散）。相比之下，P-N 结二极管通过少数载流子和多数载流子导通，从而导致耗尽层中会存储更多的电荷。其结果是，P-N 器件的开关损耗更高，并且随着频率的增加而倍增。

总体而言，肖特基二极管比 P-N 器件的功耗小，并且在高功率应用中的散热效率高。更小的功率耗散使肖特基二极管能够承受更高的温度，从而获得更强的性能和更高的可靠性，且没有热击穿风险。

肖特基二极管耗尽区窄还有一个优势：使元器件具有较低电容。低电容加上 SiC 二极管的“软开关”特性，可显著降低电磁干扰 (EMI)。

如何使 SiC 肖特基二极管更加出色

SiC 肖特基二极管技术在不断改进。例如，当代 SiC 器件的狭窄耗尽区会使制造 M-S 接口时出现的缺陷影响倍增，导致二极管在反向偏置时出现高漏电流。此外，窄耗尽区还能防止 SiC 肖特基二极管承受高反向电压 (V_R)。肖特基二极管可以承受几十伏的 V_R，而 P-N 结则可以承受数百伏的电压。

解决 SiC 二极管漏电流高的一个方案是加厚二极管的漂移层和基板。然而，在给定电流下，这会增加电阻、热阻并推高 V_F 和结点温度 (T_J)。此外，加厚漂移层具有较高的电阻，会影响浪涌电流性能。

Nexperia 通过其 MPS 二极管解决了这一难题。Nexperia PSC 系列 的 MPS 结构采用了两种二极管，一种是 SiC 肖特基二极管，另一种是 P-N 器件，且这两器件并联。在传统肖特基器件的漂移区植入 P 掺杂“阱”，在肖特基阳极处与金属形成 P 型欧姆接触，与轻掺杂的 SiC 漂移层（或外延层）形成 P-N 结（图 3）。

图 3：MPS 结构采用两个并联的器件，一个是 SiC 肖特基器件，另一个是 P-N 器件。掺杂 P 的区域被植入漂移区，从而与金属形成 P 型欧姆接触，并与 SiC 漂移层或外延层形成 P-N 结。（图片来源：Nexperia）

在反向偏压作用下，P 掺杂阱区促使最大场强向下转移至几乎无缺陷的漂移层，远离具有缺陷的金属势垒区，从而减小了整体漏电流（图 4）。

图 4：在 SiC 肖特基二极管中加入 P 掺杂阱，可将反向偏置下的最大场强区移离阳极金属区。这样会得到较低的漏电流。（图片来源：Nexperia）

P 掺杂阱的位置、面积和掺杂浓度会影响最终特性，并产生 V_F 降低与漏电流、浪涌电流之间形成权衡关系。其结果是，MPS 器件能够在比传统 SiC 二极管更高的击穿电压下工作，同时保持相同的漏电流和漂移层厚度。

肖特基二极管（单极器件）和 P-N 二极管（双极器件）的混合组合决定了 P-N 结在正常情况下不会导通，其效果是几乎没有反向恢复损耗。不过，由于 P-N 二极管在发生瞬态过流事件时会导通，因此混合排列结构能提高额定浪涌电流，从而能有效地保护混合器件。

由于 MPS 二极管在标称条件下的特征类似于肖特基二极管，因此这些器件表现出纯电容开关特征，导致其反向恢复电荷 (Q_RR) 低于具有相同电气额定值的 Si 快速恢复二极管。Q_RR 是二极管中存储的电荷。这种电荷必须在二极管阻断反向电压之前重新结合，是 Si 二极管的主要损耗因素之一。

图 5 比较了 Si 二极管与 SiC 二极管（Nexperia 的 PSC1065HJ）的反向恢复特性。SiC 二极管具有纯电容开关特性，因此 Q_RR 极小。Q_RR 相当于 I_F= 0 轴下方的面积。

图 5：所示为 Si 二极管（左）与 SiC 二极管（右）的反向恢复特性对比。SiC 二极管表现出纯电容性开关特性，导致 Q_RR 极小。（图片来源：Nexperia）

在制造过程中减少漂移层厚度

与传统的 SiC 二极管相比，MPS 二极管显著减小了漏电流，因此，可通过减少漂移层厚度来获得优势。如上所述，传统 SiC 二极管的漂移层比 Si 二极管的漂移层厚，以保持较低的漏电流。

在制造过程中，未处理的 SiC 衬底经过 N 掺杂处理，SiC 外延层“生长”形成漂移区。衬底厚度可达 500 微米 (µm)，这会增大从结到背面金属的电流路径的电阻和热流路径的热阻。其结果是，在给定电流下 V_F 下降和 T_J 增加。

要降低漂移层的电阻和热阻，可以在制造过程中通过研磨减小衬底底面的厚度（图 6）。这样，MPS 二极管在给定的工作条件下与同类 SiC 二极管相比，工作温度更低、可靠性更高、浪涌电流能力更强、V_F 下降更低。

图 6：与同类 SiC 二极管相比，减小衬底（右）的厚度度可使 MPS 二极管的工作温度更低、可靠性更高、浪涌电流能力更强、V_F 下降更低。（图片源型：Nexperia）

商业选择

Nexperia 为电池充电基础设施、服务器和电信电源、不间断电源以及光伏逆变器等诸多应用提供一系列 MPS 二极管。

PSC0665HJ（图 7）是采用 DPAK R2P (TO-252-2) 表面贴装封装的 MPS SiC 肖特基二极管。从结到外壳的热阻 (R_th(j-c)) 为 2.7 开尔文/瓦 (K/W)。总功率耗散 (P_tot) (T_c ≤ +25°C) 为 115 W。该二极管具有与温度无关的电容性关断和零恢复开关特性，并具有良好的品质因数 (FOM)（FOM = 总电容电荷 (Q_C) x V_F）。该器件提供稳定可靠的浪涌电流保护，具体表现为非重复高峰值正向电流 (I_FSM)。

图 7：PSC0665HJ 是采用 DPAK R2P (TO-252-2) 封装的 MPS SiC 肖特基二极管。（图片来源：Nexperia）

PSC0665HJ 的 Q_C 为 14 纳库仑 (nC)（V_R = 400 V；d_IF/dt = 200 A/毫秒 (A/µs)；正向电流 (I_F) ≤ 6 A；T_J = +25°C）和 V_F = 1.5 V（I_F= 6 A；T_J = +25°C）。由此得出该二极管的 FOM 为 14 nC x 1.5 V = 21 纳焦 (nJ)。

最大重复峰值反向电压 (V_RRM) 为 650 V。反向电流 (I_R) 在 +25°C 时为 1 µA，V_R 为 650 V。最大正向电流 (I_F) 为 6 A，最大 I_FSM 为 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 肖特基二极管系列的另一款产品。该器件采用 TO247 R2P (TO-247-2) 通孔插装功率塑料封装。从结到外壳的热阻 (R_th(j-c)) 为 1 W。P_tot（T_c ≤ +25°C）为 115 W。

PSC2065LQ 的 Q_C 为 41 nC（V_R = 400 V；dI_F/dt = 200 A/µs；I_F ≤ 20 A；T_j = +25°C），V_F = 1.5 V（I_F = 20 A；T_J = +25°C）。因此，FOM 为 41 nC x 1.5 V = 61.5 nJ。

V_RRM 为 650 V。I_R 在 +25°C 时为 1 µA，V_R 为 650 V。最大 I_F 为 10 A，最大 I_FSM为 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）。

结语

与 Si 相比，SiC 肖特基二极管具有强大的技术优势，例如开关性能显著提高，开关频率更高，同时不会降低输出功率或整体系统效率。Nexperia 公司的混合型 MPS 结构充分利用了 SiC 肖特基二极管与 P-N 二极管的并联优势，显著提升了 SiC 肖特基二极管的性能。与同类 SiC 二极管相比，该器件在给定的工作条件下，工作温度更低、可靠性更高、抗浪涌电流能力更强、V_F下降更小。