3300V碳化硅肖特基二极管及混合功率模块研制

基于数值仿真结果,采用结势垒肖特基(JBS)结构和多重场限环终端结构实现了3 300 V/50 A 4H-Si C肖特基二极管(SBD),所用4H-Si C外延材料厚度为35μm、n型掺杂浓度为2×1015cm-3。二极管芯片面积为49 mm2,正向电压2.2 V下电流达到50 A,比导通电阻13.7 mΩ·cm2;反偏条件下器件的雪崩击穿电压为4 600 V。基于这种3 300 V/50 A 4H-Si C肖特基二极管,研制出3 300 V/600 A混合功率模块,该模块包含24只3 300 V/50 A Si IGBT与12只3 300 V/50 A 4H-Si C肖特基二极管,Si C肖特基二极管为模块的续流二极管。模块的动态测试结果为:反向恢复峰值电流为33.75 A,反向恢复电荷为0.807μC,反向恢复时间为41 ns。与传统的Si基IGBT模块相比,该混合功率模块显著降低了器件开关过程中的能量损耗。

4H-SiC基MPS二极管迅回效应分析

为优化二极管抗浪涌电流能力及正向特性,针对器件工艺参数对迅回效应的影响进行了研究。采用建模仿真对比不同参数下的器件正向特性,分别对P+区和漂移区的掺杂浓度以及P+区宽度3个方面进行讨论。提取在迅回效应过程中器件的正向偏置处于转折与折回电压时漂移区内空穴的分布,进而细化研究该效应的产生过程机理。仿真结果表明,增加P+区的掺杂浓度与宽度可以有效抑制迅回效应,较高的漂移区掺杂浓度会增加器件在单极工作模式下的电流密度,但同时增大转折电压可使迅回效应加剧,适当减小漂移区掺杂浓度可以抑制迅回效应。

4H-SiC SP-MPS二极管迅回效应的仿真研究

为了抑制4H-SiC MPS二极管的迅回效应,在传统结构的肖特基结下方引入P-轻掺杂区形成SP-MPS结构。给出简化电阻模型和等效电路图分析MPS二极管的正向导通特性,仿真了肖特基区宽度、P+区结深及P-区深度等关键参数对迅回效应的影响。研究结果表明,减小肖特基区宽度、增加P+区结深均可有效抑制迅回效应。SPMPS结构通过添加P-轻掺杂区来调整肖特基势垒高度进而控制转折电压的大小,增加P-区深度对迅回效应具有抑制作用,但与P-区掺杂浓度基本无关。对比传统MPS结构,在P-区深度为0.25μm、掺杂浓度为1×10^(17)cm^(-3)的条件下,SP-MPS结构的肖特基势垒高度增加了35.7%,转折电压降低了73.2%,明显改善迅回效应对MPS二极管正向特性的影响。

基于肖特基二极管的单片集成560 GHz混频器

介绍了一款基于InP材料的肖特基二极管的单片集成混频器,其工作频率为560 GHz。该混频器采用了一种新型薄膜混合传输结构,基于某聚合物材料的无源结构的传输损耗降至14.4-15.5 Np/m。相比于基于传统石英介质基片和半导体介质基片的传输线,传输损耗降低了一半以上。同时为了降低高频损耗,提高电路效率,二极管需采用亚微米结构,结半径为0.5μm,结电容为1.5 fF。无源结构和有源结构的同时优化使得该倍频器在540~580 GHz的工作频带内,变频损耗优于-8 dB,回波损耗优于10 dB。并且由于无源部分均采用创新的混合传输结构,在保证单模传输的条件下增大了混频器电路整体的物理尺寸,降低了腔体加工的工艺难度,使得今后大于1 THz信号低损耗平面传输成为可能。

碳化硅MPS:新一代功率开关二极管

碳化硅MPS(MergedPiNSchottkydiode)具有很好的开关特性,并具有PiN二极管高阻断电压、低漏电流和SBD小开启电压,大导通电流以及高开关速度的优点,是最有希望的新一代功率开关二极管。文章系统地介绍了碳化硅MPS的结构和性能。理论和实验分析表明,碳化硅材料的优异性能与MPS结构的优势相结合,是当今功率开关管发展的趋势。

MPS二极管的少子特性仿真

混合pin/肖特基(MPS)二极管是广泛应用于电子电路中的快恢复功率器件,具有高击穿电压、快速开关和正向电流大等特性。对MPS二极管漂移区的少数载流子的特性进行了仿真分析。仿真结果表明,MPS二极管的p^+区向漂移区注入的少数载流子浓度随外加正向电压和pn结面积占元胞总面积比例的增大而增大。虽然漂移区的少数载流子改变了MPS二极管的工作模式,增大了电流,但是存储在漂移区的少数载流子增大了反向峰值电流和恢复时间,进而增大了功耗并降低了关断速度。折中考虑正向电流和反向恢复特性,可获得具有正向电流大、反向峰值电流小和反向恢复时间短的MPS二极管。

MPS快恢复二极管正向压降的研究

介绍了混合pin/肖特基(MPS)二极管快恢复二极管的工作原理,基于人们对与主功率开关器件并联起箝位或缓冲作用的快速二极管提出的高要求即在具有超快和超软恢复特性的同时又兼具有低的正向导通损耗,以减少芯片的发热损耗。采用Silvaco仿真软件对MPS结构的两款较快恢复二极管的正向特性进行了研究并实际制作了器件,发现正向压降与衬底掺杂浓度及载流子迁移率关系极大。分析了正向压降的温度特性,结果表明固定掺杂浓度的FRD器件,由于晶格散射对载流子迁移率起主导作用,正向压降呈正温度系数特性;而对于FRED器件,由于杂质散射起主导作用,正向压降呈负温度系数特性。

AlGaN/GaN非凹槽混合阳极SBD射频性能及建模

基于大功率微波输能的需求,制备了新型AlGaN/GaN非凹槽混合阳极肖特基势垒二极管(SBD)。对新型结构的器件进行了小信号建模,可用于微波输能电路设计。通过开路、短路去嵌结构法从小信号S参数中提取了器件的寄生电容、电感和电阻,结合去嵌后的S参数与直流I-V、C-V特性曲线提取了器件的本征参数。综合寄生和本征参数建立了器件的小信号模型,将模型仿真结果与器件的实测结果进行了对比,同时引入误差因子评估了模型的准确度。结果表明,在0.1~10 GHz内,回波损耗相对误差小于4.1%,插入损耗相对误差小于3.7%,验证了所提出模型的可行性和准确性。

1200V 200A Si/SiC混合模块性能对比研究

提出了一种SiC混合模块,相比传统的Si IGBT模块,将Si续流二极管替换成SiC SBD。两种模块的额定参数均为1 200V/200A,在相同的测试条件下,分别测试其动、静态参数及波形,对比研究测试数据,混合模块中二极管反向恢复损耗可以降低84%,总的开关损耗可以降低40%。提取模块的寄生电感数值为13.3nH,结合动态测试波形,混合模块可以满足正常使用。

3300V混合SiC IGBT模块研制与性能分析

传统绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)模块内部集成有PIN结构的Si基二极管作为续流二极管,该二极管开关损耗大,并且在关断时存在电流、电压过冲现象,使得IGBT模块整体功耗增大,可靠性降低。通过SiC结势垒控制肖特基二极管(Junction Barrier Control Schottky Diode,JBS)代替模块内原有的PIN结构Si基二极管,研制了3300 V/1500 A等级的Si IGBT/SiC JBS混合模块。介绍了混合模块的设计方法、制造工艺及测试结果,并对比传统Si基IGBT模块与Si IGBT/SiC JBS混合模块的电学参数差异。通过相同工况条件下的功耗计算,对比两者功耗的差别。研究表明Si IGBT/SiC JBS模块中二极管的开关电流减小了91.9%、开关能量减小了98.3%,二极管功耗相对减少了62.1%,使得混合模块整体功耗降低,消除了电压、电流过冲,提高了模块可靠性。

1700 V/1200 A Si/SiC混合模块研制与性能对比

介绍了一种由Si IGBT与SiC JBS组合封装的Si/SiC混合模块,利用SiC JBS单载流子器件没有反向恢复特性的特点,提升IGBT模块的特性。对Si/SiC混合模块的结构、工艺、测试结果进行了描述,与Si模块相比,在芯片结温为125℃时,Si/SiC混合模块的续流二极管的反向恢复电流减少了86.7%,反向恢复能量减少了98.1%,恢复时间减少了约82.1%。根据相同工况条件下的损耗计算,与Si模块相比,Si/SiC混合模块的续流二极管功耗减小了64%,Si/SiC混合模块的IGBT芯片的损耗与Si模块持平,总功耗减小了7.1%。