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SiC功率元件

SiC蕭基特二極體

所謂SiC-SBD-與Si-PND的反向恢復特性比較

前一次已經比較了SiC-SBD和Si-PND的特徴。這一次我想就SiC-SBD和Si-PND的反向恢復特性進行比較。反向恢復特性由於在二極體,尤其在高速型二極體中是基本且重要的參數,因此不只是trr的數値比較,理解其波形或溫度特性等將有助於二極體的使用。

SiC-SBD和Si-PND的反向恢復特性的差異

首先,想必大家都了解,反向恢復或還原﹙recovery﹚是二極體呈反向偏壓(Reverse Bias)狀態時並未立即完全OFF而有反向電流流動某些時間的現象,trr則為其反向電流流動的時間。此外,如先前所述,SiC-SBD的trr由於比包含Si-FRD在內的Si-PND還要高速,因此接下來要確認其理由和實際特性。

trr﹙Reverse Recovery Time﹚的速度或反向恢復特性的差異,坦白說,視二極體的構造而定。其説明雖然涉及在半導體中移動的電子或正孔,不過一開始須以波形圖事先確認SiC-SBD和Si-PND的反向恢復特性的差異。

右邊的波形圖為SiC-SBD和高速PND,即Si-FRD反向恢復時的電流和時間。可以看出紅色SiC-SBD的反向電流少,trr也短。順便一提,此特性所以成為討論事項,原因在於反向電流變成損失之故。

Si-FRD和SiC-SBD的反向恢復時間特性

接下來,使用各二極體的切面圖進行說明。下圖顯示當Si-PND的偏壓由順向偏壓轉移至反向偏壓時電子與正孔的動作。

順向偏壓時,載子﹙carrier﹚被注入,電流因正孔與電子的再結合而流動。此若變為反向偏壓,則位於n層的正孔(少數載子)會返回p層,不過需要些許時間,電流會持續流動到返回完畢為止(一部分會因lifetime而消滅)。此為反向恢復電流。

Si-PRD (FRD等) 反向偏壓轉移時
Sic-SBD反向偏壓移轉時

第2個圖是SiC-SBD反向偏壓移轉時的圖。因蕭特基障壁(Schottky Barrier)構造的緣故,PN接面不存在,沒有少數載子,反向偏壓時由於n層多數載子的電子只會返回,因此只需要一點點反向恢復時間,在遠比PND還短許多的時間內轉為OFF。

此反向恢復時間的差異完全取決於二極體構造。因此,Si-SBD的反向恢復也很高速。不過就現狀而言,Si-SBD的耐壓界限為200V左右,在更高的電壓下無法使用。反之,使用SiC可以製作600V以上高耐壓的SBD。這也就成了SiC-SBD的一大優點。

其次,以下為反向恢復特性的溫度依附性和電流依附性相關數據。

波形圖表的上半段顯示了反向恢復特性對溫度的差異。Si-FRD由於溫度上升時載子濃度會上升,其反向恢復需要時間,常溫下反向電流與trr同時變大。反之,SiC-SBD由於SiC本身幾乎沒有溫度依附性,因此大致上反向電流特性不會有變化。圖表上半段右圖描繪了trr的差,與2種Si-FRD做比較,可知SiC-SBD幾乎沒有trr溫度依附性。

波形圖的下半段顯示了順向偏壓順時與順向電流IF的關係。從這裡也可以知道,SiC-SBD幾乎不受影響。

最後希望大家理解的是,SiC-SBD儘管表現出反向電流幾乎不流動的狀況,但在波形圖中顯然並非完全沒有,而是比Si-FRD少很多。這是因為二極體或多或少都存在著寄生的接面電容等,其影響導致之故。因此,相較於Si-PND,反向電流並非為零,而是大幅減少。

重點:

・相較於Si-PND(FRD),SiC-SBD由於trr高速且反向恢復電流也大幅減少,因此損失也少。

・SiC-SBD的反向恢復特性(trr與反向恢復電流)幾乎沒有溫度依附性。


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