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大功率碳化硅二极管的应用

1. 碳化硅材料的特性
  以来，在制造半导体器件的材料中，硅(Si)材料一直居于统治地位。随着电子科技的不断发展和进步，半导体器件的性能也需要不断提高，硅基器件的性能开始逐渐接近极限。同时，电子器件越来越多的工作在如航天、航空、国防、高温、高压等场合，在这些应用场合中器件需要忍受异常严酷的环境条件，这也使得硅基器件的表现越来越捉襟见肘，表1列出了这些领域中当前和未来对半导体器件工作温度的要求。这些都促使人们将目光转向了性能更佳的宽禁带半导体材料，碳化硅(SIC)就是人们较为熟悉的一种第三代半导体材料，碳化硅是间接带隙半导体，具有很强的化学惰性和坚硬度，具有近两百种不同的结晶结构，其中常见的有3C、4H、6H和15R型。

表1 当前与未来导体器件工作温度的比较

  碳化硅(SIC)具有宽禁带(Si的3倍)、高热导率(Si的3.3倍)、高的临界击穿电场(Si的10倍)、高饱和电子迁移率(Si的2.5倍)以及高健合能等优点，这就使得碳化硅材料可以很好地适用于高性能(高频、高温、高功率、抗辐射)电子器件。高的热导率有利于大功率器件的热耗散和高密度集成高的载流子饱和迁移速率可以使之应用于高速开关器件；高的临界位移能使碳化硅器件的抗辐射性能优于Si器件。
  由于碳化硅材料的带隙很宽(4H型碳化硅在室温下约为3.26eV)，碳化硅器件能够在很高的温度下工作而不至于因为本征载流子激发导致器件性能失效。碳化硅材料在发生雪崩击穿前所能够忍受的极限电场是硅材料和砷化镓(GaAs)的5~20倍12。这一高极限电场可以用来制造高压、大功率器件。
 
  2. 大功率碳化硅二极管的应用
  大功率碳化硅PIN二极管一直是功率器件研究领域的热点之一。PIN二极管是在P⁺区和n⁺区之间夹一层本征半导体(或低浓度杂质的半导体)构造而成的晶体二极管。PIN中的i是“本征”意义的英文略语，因为不可能存在*没有杂质的纯净半导体，所以应用中PIN二极管的I层或多或少掺有少量的p型或n型杂质。目前研究的碳化硅PIN二极管主要采用台面(Mesa)结构和平面结构，其剖面结构分别如图1所示：

图1 平面结构与台面结构SIC PIN二极管剖面图

  当PIN二极管工作频率超过100MHz时，由于少数载流子的存贮效应和I层中的渡越时间效应，使二极管失去整流作用而变成了阻抗元件，并且，其阻抗值随偏置电压而改变。在零偏置或直流反向偏置时，I区的阻抗很高；在直流正向偏置时，由于载流子注入I区，而使I区呈现出低阻抗状态。因此，可以把PIN二极管作为可变阻抗元件使用，在微波和射频控制领域，常常需要使用开关器件实现信号的切换，特别是在一些高频信号控制中心，PIN二极管具有*的射频信号控制能力，同时也被广泛应用于移相、调制、限幅等电路中。
  大功率碳化硅二极管由于其*的耐压特性，被广泛应用在电力领域中，主要用作大功率整流管。PIN二极管具有很高的反向临界击穿电压V_B，源于中间的低掺杂i层承载了主要的电压降。提高I区的厚度，降低I区的掺杂浓度，能够有效提高PIN二极管的反向击穿电压，但I区的存在会在一定程度上提高整个器件的正向压降V_F以及器件的开关时间，使用碳化硅材料制作的二极管，则可以弥补这些不足。碳化硅10倍于硅的临界击穿电场，使得碳化硅二极管的I区厚度可以减小到硅管的十分之一，同时能保持高的击穿电压，再加上碳化硅材料良好的热导率，不会出现明显的散热问题，因此大功率碳化硅二极管成为现代电力电子领域非常重要的整流器件。
  得益于其具有极小的反向漏电流和高载流子迁移率，碳化硅二极管在光电探测领域有着巨大的吸引力。小的漏电流可以减少探测器的暗电流，降低噪音；高载流子迁移率可以有效提高碳化硅PIN探测器的灵敏度；碳化硅二极管的大功率特性，使PIN探测器可以探测更强的光源，广泛应用在太空领域中。大功率碳化硅二极管因其优异的特性，一直得到人们的重视，其研究也得到了长足的发展。