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Si功率元件

Si二極體

所謂二極體-蕭特基二極體的特徵

接著進入Si二極體的第2回合,要說明的是蕭基特二極體(以下SBD)的特徵及應用程式。

Si-SBD的特徴

上次已經說明,Si-SBD並非PN接面,而是利用矽與所謂阻障金屬層﹙barrier metal﹚之金属接合(蕭基特接面)形成蕭基特障壁的二極體。Si-SBD的特性取決於阻障金屬層﹙barrier metal﹚的種類。而且,其特性的差異決定應用程式的合不合適。下表彙整了各阻障金屬層﹙barrier metal﹚的特徴及適合的應用程式。表中有「×」記號者,表示比其他差、不適合。

Si_1-3_struc

代表性的阻障金屬層有鈦、鈤、白金。

使用鈦﹙titanium﹚的SBD特徵是VF非常低,但反向的漏電流IR則比其他大。因此,並不適合發熱變大、周圍變高溫的條件。待會兒會加以説明,容易有發生熱失控﹙thermal runaway﹚的傾向。應用程式方面,因VF小,故導通損失少,電壓下降也小,適合使用於電池驅動電路。

使用鈤﹙Molybdenum﹚的SBD為VF和IR的平衡型,常用於DC/DC轉換型電路。

使用白金﹙platinum﹚的SBD由於IR非常小,發熱也少,故適合高溫下使用。此點在應用於車載機器上佔有優勢。

其他二極體意指通用的PN接面整流二極體,IR的值小,幾乎所有情況皆可忽視。反之, Si-SBD的IR無法忽視,這是使用Si-SBD上的重點。

接著,下圖具體顯示上表中有○或△記號的各SBD特性。以鈦為例,可以看出雖然VF非常低,不過IR大。

Si_1-3_char

Si-SBD的熱失控

接著說明使用Si-SBD時將成為重要討論事項的熱失控。熱失控﹙thermal runaway﹚是一種因發熱而使二極體Tj超過最大額定,最糟將導致破壞的現象。如前所述,Si-SBD的IR損失無法忽視。發熱是IR和VR(反向電壓)的積,也就是漏電流的反向電力損失乘以熱阻抗。這與普通的熱計算相同,因此對IR大的鈦SBD來說最為不利。此外,IR若VR變高時有増加傾向,溫度上升時則具有増加的正溫度特性(參照上次説明)。自我發熱(或周圍溫度上昇)將使Tj上升IR増加,更進一步發熱後則將產生IR増加等失控狀態。當然,條件是發熱量必須大於散熱量。

要防止熱失控,需要即使任何條件導致發熱皆可以散熱的完整熱設計。以下是熱失控相關要點。

  • IR發熱所產生的熱失控將導致二極體的破壊
  • 需要 “發熱量<散熱量” 的完整熱計算、散熱設計
  • Tj不得超過Tj max:Tj = Ta+發熱
  • 發熱 = 熱阻抗(θja)× 電流(IR)× 電壓(VR)
  • 散熱取決於package、實裝基板、周圍環境,故有驗證必要

VF和IR的應用程式圖

最後提供適合二極體特性的應用程式圖,希望可以作為設計的参考。

Si_1-3_appli.png

重點:

・Si-SBD的特性取決於阻障金屬層。

・須事先認知,Si-SBD的IR是無法忽視的階級。

・有產生熱失控的可能性,須進行充分的熱設計驗證。


Silicon Power Devices Application Examples Utilizing the Merits