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2016.06.28 SiCパワーデバイス

SiC-SBDとは-Si-PNDとの逆回復特性比較

SiCショットキーバリアダイオードとは

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前回はSiC-SBDとSi-PNDの特徴の比較を行いました。今回は、SiC-SBDとSi-PNDの逆回復特性の比較をしたいと思います。逆回復特性は、ダイオード、特に高速タイプのダイオードでは基本的かつ重要なパラメータですので、trrの数値比較だけではなく、その波形や温度特性などを理解することはダイオードを使う上で役立ちます。

SiC-SBDとSi-PNDの逆回復特性の違い

まず、逆回復もしくはリカバリというのは、ダイオードが逆バイアス状態になった時、すぐには完全なオフになれず、ある時間逆電流が流れてしまう現象で、trrはその逆電流が流れる時間であることは理解していると思います。また、すでに、SiC-SBDのtrrはSi-FRDを含めたSi-PNDより高速であるという話はしましたので、今回はその理由と、実際の特性を確認して行きます。

trrの速さや逆回復特性の違いは、端的に言うと、ダイオード構造の違いによるものです。その説明には、半導体の中を移動する電子や正孔の話をすることになりますが、最初にSiC-SBDとSi-PNDの逆回復特性の違いを波形図で確認しておきます。

右の波形図は、SiC-SBDと高速なPNDであるSi-FRDの逆回復時の電流と時間を示しています。赤のSiC-SBDの方が、逆電流が少なくtrrも短いのがわかります。ちなみに、この特性が検討事項となるのは、逆電流が損失になるからです。

Si-FRDとSiC-SBDの逆回復時間特性

ここから、各ダイオードの断面図を使って説明します。下の図は、Si-PNDのバイアスが順バイスから逆バイアスに移行した時の、電子と正孔の動きを示しています。

順バイアス時には、キャリアが注入され正孔と電子の再結合により電流が流れています。これが逆バイアスになると、n層にある正孔(少数キャリア)がp層に戻るのですが、それには少々時間がかかり、戻りきる(一部はライフタイムにより消滅)までは電流が流れてしまいます。これが逆回復電流です。

Si-PND(FRDなど)逆バイアス移行時
SiC-SBD 逆バイアス移行時

2つ目の図は、SiC-SBDの逆バイアス移行時を示した図です。ショットキーバリア構造ゆえPN接合は存在しないので少数キャリアはなく、逆バイアス時にはn層の多数キャリアである電子が戻るだけなので、わずかな逆回復時間しか必要とせず、PNDに比べるとはるかに短い時間でオフになります。

この逆回復時間の違いは、すべてダイオード構造によるものです。したがって、Si-SBDも逆回復が高速です。しかしながら、Si-SBDの耐圧は現状200V程度が限界で、それより高い電圧では使用できません。それに対しSiCを使うことで、600V超える高耐圧のSBDを作ることができます。これが、SiC-SBDの大きなメリットになります。

次に、逆回復特性の温度依存性と電流依存性に関するデータを示します。

上段の波形図とグラフは、温度に対する逆回復特性の違いを示しています。Si-FRDは温度が上がるとキャリア濃度が上昇するので、その分逆回復に時間を要し、室温に対して逆電流とtrrがともに大きくなっています。対してSiC-SBDは、SiC自体の温度依存性がほとんどないことから、逆電流特性の変化はほぼありません。trrの差をプロットしたのが右上のグラフで、2種類のSi-FRDとの比較において、SiC-SBDのtrrの温度依存性はほとんどないことがわかります。

下段の波形図は、順バイス時の順電流IFとの関係を示しています。こちらも、SiC-SBDはほとんど影響を受けないことがわかります。

最後に、SiC-SBDには逆電流はほとんど流れないような表現をしてきましたが、波形図ではSi-FRDに比べて大幅に少ないのは明らかですが、皆無ではありません。これはダイオードとしては、どうしても寄生の接合容量などが存在し、その影響がでているためです。したがって、Si-PNDに比べて逆電流はゼロではなく、大幅に少ないと理解していただければと思います。

キーポイント:

・SiC-SBDはSi-PND(FRD)に比べて、trrが高速で逆回復電流も大幅に少ないことから損失が少ない。

・SiC-SBDの逆回復特性(trrと逆回復電流)には温度依存性がほとんどない。

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