Диоды Шоттки на основе карбида кремния

Опубликовано 24.09.2010 Ведущий Филипп Болгов

Диод Шоттки - полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки (вместо p-n перехода, как у обычных диодов). Наиболее важными характеристиками диодов Шоттки, определяющими их использование, являются низкое прямое падение напряжения, высокое быстродействие, фактическое отсутствие заряда обратного восстановления. Допустимое обратное напряжение промышленно выпускаемых диодов Шоттки ограничено 250 В, на практике большинство диодов Шоттки применяется в низковольтных цепях при обратном напряжении порядка единиц и нескольких десятков вольт. Однако, используя карбид-кремниевые подложки (Silicon Carbide - SiC) в качестве основы, можно повысить рабочее напряжение до 1200 В. Впервые кристаллический карбид кремния был получен в 1892 году и тогда был назван карборундом. Отец транзистора Уильям Шокли назвал карбид кремния "идеальным полупроводником" и уже в 1950 году был уверен, что этот материал быстро заменит кремний за счет превосходных свойств. Карбид кремния является полупроводником с непрямой зонной структурой с шириной запрещенной зоны от 2,4 до 3,3 эВ, что означает большой диапазон рабочих температур (теоретически - до 1000°С, практически - до 600°С) и малый ток утечки (менее 70мкА при 200°С). Материал устойчив к окислению при температуре до 1400°С. При комнатной температуре он не взаимодействует ни с какими кислотами. Этим объясняется трудность изготовления полупроводниковых приборов на его основе. Карбид кремния имеет высокую теплопроводность (примерно на уровне меди), что упрощает проблему отвода тепла, снижая тепловое сопротивление кристалла по сравнению с кремнием в два раза. Вдобавок, карбид кремния имеет в десять раз более высокое критическое поле пробоя. Приведенные характеристики обусловливают замечательные свойства карбид-кремниевых диодов Шоттки:
- очень малое (практически нулевое!) время восстановления основных носителей заряда при переключениях;
- более высокое напряжение пробоя, чем у кремниевых приборов;
- высокая температура функционирования (до 175°С);
- высокая частота переключения (до 500 кГц), что позволяет уменьшить фильтр электромагнитных помех и размеры других пассивных компонентов;
- уменьшение или исключение активных или пассивных демпферных цепей.
Ключевая особенность карбид-кремниевых диодов - малый динамический обратный ток восстановления. Это непосредственно связано с емкостью перехода: заряд обратного восстановления QRR этих диодов чрезвычайно низок (менее 20 нКл). В биполярных кремниевых диодах главные физические эффекты связаны с неосновными носителями заряда, которые сильно повышают обратный ток восстановления (IRM) и обратный заряд восстановления (QRR). В настоящее время высоковольтные диоды Шоттки предлагают несколько фирм - производителей. Это, например, диоды серии STPS компании STMicroelectronics с обратным напряжением 600В, диоды серии CSD фирмы Cree, выпускаемые под торговой маркой Zero Recovery и другие.