碳化硅(SiC)功率器件在高电压、高温应用中能提供高效率和卓越性能，而传统的硅基器件在此领域面临一些物理极限。

在各类SiC器件中，肖特基势垒二极管(SBD)被广泛认为是首个被成功演示的SiC功率器件，相关研究最早可追溯到1974年。SBD很快便获得了广泛的商业应用，特别是在功率转换系统中，例如电动汽车牵引逆变器和可再生能源装置。

SiC肖特基势垒的物理原理

与依赖于p型和n型半导体之间结的p-n结二极管不同，肖特基势垒二极管形成的是一个金属-半导体结，该结会产生一个整流势垒。当金属接触置于轻掺杂的n型半导体上时，会形成一个耗尽区及相关的势垒。对于SiC肖特基二极管，势垒高度通常在0.8-1.2 eV之间，这决定了器件的许多电气特性。

与电子和空穴都参与导电的p-n结二极管不同，肖特基二极管(图1)作为多数载流子(单极型)器件工作，几乎没有少数载流子注入。这消除了电荷存储效应，并实现了比p-n结二极管更快的开关速度。

图1

SiC的宽带隙(约3.25 eV，而硅为1.1 eV)使得在给定的漂移区厚度下，能够实现显著更高的击穿电压。SiC的临界电场强度超过2 MV/cm，大约是硅的十倍。这意味着，在相同的击穿电压下，SiC器件的漂移区厚度只需硅器件的十分之一，从而大幅降低了导通电阻。

将肖特基二极管典型的快速开关特性与SiC的材料特性相结合，使得开发出同时具备低导通损耗和最小开关损耗的器件成为可能。

热管理是SiC的另一大优势，其热导率大约是硅的3倍(4.2 vs. 1.48 W/cm·K)。此外，SiC更宽的带隙允许其结温工作于175°C以上。这些热特性降低了对冷却的要求，并提高了在关键和严苛应用中的可靠性。

当施加外部电压时，来自n型SiC漂移区的电子克服肖特基势垒高度流入金属阳极。由于没有少数载流子注入(空穴)，结区没有电荷存储。

耗尽区从金属-半导体界面延伸到SiC漂移层。在SiC中，高临界击穿电场允许该漂移层在相同击穿电压下比硅器件更薄且掺杂浓度更高。

相较于传统硅基SBD的优势

硅基SBD可以实现非常快的操作，但由于漏电和低击穿强度的物理限制，通常仅限于低压应用(通常在200V以下)。

而SiC SBD则提供了以下优势：

高电压等级：硅SBD局限于低电压，而SiC SBD在市场上已有电压等级高达数千伏的产品。

导热性：SiC的高热导率允许更好的散热和更小的散热器。

温度稳定性：SiC SBD可以在高达175°C的结温下工作(理论上可更高)，而不会像硅基同类产品那样出现漏电流急剧增加的情况。

正温度系数：SiC SBD的正向电压随温度升高而增加。或者说，在相同正向电压下，结温升高会降低正向电流。这使得并联操作既安全又简单，因为温度较高的二极管会自然地"推送"电流给较冷的二极管，防止热失控。

MPS和JBS架构

传统的SiC SBD提供快速的开关速度和低反向恢复电荷，但它们通常存在高反向漏电流和有限的浪涌电流能力问题，尤其是在高电压和高温下工作时。

为了应对这些限制，引入了合并PiN肖特基(MPS)和结势垒肖特基(JBS)架构，通过在n型漂移层中创建p型区域(p+注入)。这种设计在肖特基接触上形成了额外的PN结。

在正向偏压下，电流主要流过低势垒的肖特基区域，保持低正向压降和快速开关。然而，在反向偏压或高浪涌事件期间，p-n结会关闭可能漏电的路径，从而降低反向漏电流并提高对浪涌电流的鲁棒性。

商用SiC SBD产品

在本节中，我们将探讨一系列具有不同电压和电流等级的商用SiC SBD，并分析制造商如何针对特定应用优化其设计。

Wolfspeed

作为SiC技术的先驱公司，Wolfspeed提供一系列电压等级从600V到1700V的SiC肖特基二极管，适用于电源整流器和需要反向电流保护的电路等工业应用。

例如，C3D10065A是一款第三代650V SiC肖特基二极管，额定连续正向电流为10A。该器件在10A和25°C条件下的最大正向压降为1.8V，由于SiC的正温度系数特性，在175°C时会增加到约2.4V。

C3D10065A采用TO-220-2封装，典型的结壳热阻为1.1°C/W。由于SiC肖特基二极管是多数载流子器件，没有反向恢复电荷，从而实现了快速开关操作(图2)。

图2

这些SBD采用MPS技术构建，具有高浪涌能力。该器件还采用了结势垒肖特基结构，利用肖特基接触下方的p型区域屏蔽结区并抑制高温下的漏电流。

英飞凌

英飞凌科技的CoolSiC™肖特基二极管系列主要包括三个电压等级：650V、1200V和2000V。属于650V G5系列的IDH10G65C5肖特基二极管具有与上述Wolfspeed器件相似的电压和电流等级，但针对不同的优化点。

这款650V、10A器件在额定电流和环境温度下实现了略低的最大正向压降1.7V。该器件采用英飞凌专有的MPS(合并PiN肖特基)结构，该结构集成了仅在浪涌电流条件下激活的p-n结元件。这种设计方法在正常操作下提供类似肖特基的性能，同时在故障条件下提供更高的鲁棒性。

热特性方面，在TO-220-2封装中，典型的结壳热阻为1.0K/W，该器件在其整个温度范围内保持稳定工作，没有硅肖特基二极管在高温下会出现的热失控问题。

该器件利用了英飞凌的ThinQ!™第五代技术。它将英飞凌专有的扩散焊接工艺(第三代首次引入)与更紧凑的架构和薄晶圆制造技术相结合。采用晶圆减薄工艺将晶圆厚度减少到原始值的三分之一左右，而不影响质量或良率。这种降低减少了衬底的电阻贡献并提高了浪涌电流鲁棒性(图3)。

图3

意法半导体

针对更高功率的应用，意法半导体提供STPSC20H12-Y，这是一款额定连续电流为20A的1200V器件。在20A和25°C条件下的最大正向压降为1.5V，在20A和150°C条件下为2.25V。意法半导体在其最新几代SiC肖特基二极管中采用了MPS技术，实现了高浪涌保护、低正向压降和改善的热稳定性。

该器件提供TO-220AC、D2PAK和D2PAKHV封装，典型结壳热阻为0.3°C/W。通过AEC-Q101认证的STPSC20H12-Y支持-40°C至+175°C的工作结温，非常适合汽车和工业硬开关应用，例如车载充电器和PFC电路。

罗姆半导体

罗姆半导体推出了SCS2xxxNHR系列贴片SiC SBD，通过增加端子之间的爬电距离来提高绝缘电阻。提供650V和1200V两种电压选项，覆盖了广泛用于xEV应用的400V系统，包括车载充电器、EV充电器、DC/DC转换器和无线充电器。

这些器件采用了一种新结构(图4)，取消了之前位于封装底部的中心引脚，将爬电距离增加到至少5.1毫米，大约是标准型号的1.3倍。这降低了端子之间发生漏电(爬电放电)的风险，并且在这些器件用于高压应用表面贴装时，无需再采用树脂灌封作为绝缘措施。

图4

柏恩斯

柏恩斯提供广泛的SiC肖特基势垒二极管产品线，用于整流，电压等级有650V和1200V，封装形式包括TO220-2、TO247-3、TO252和DFN8×8。其中，BSDH10G65E2 SiC肖特基二极管凭借其高峰值正向浪涌能力、低正向压降、低热阻和低功率损耗，特别适合于要求严苛的功率应用。

这款650V/10A SiC SBD采用TO-220-2封装，在25°C/10A条件下的最大正向压降为1.7V，在175°C/10A条件下为2.3V(图5)。该器件的典型应用包括开关电源、功率因数校正级、光伏逆变器、DC-DC转换器和电机驱动。

图5

东芝

东芝的第三代SiC肖特基势垒二极管，提供650V和1200V等级，采用结势垒肖特基(JBS)结构，可提供低漏电流和强健的浪涌电流性能，适用于开关电源。

TRS10H120H是一款采用TO-247-2L封装的1200V/10A SiC SBD。该器件具有低正向电压VF = 1.27 V(典型值)、低总容性电荷Qc = 61 nC(典型值)和低反向电流IR = 1.0 µA(典型值)。这款SBD采用东芝改进的JBS结构制造，提高了浪涌电流能力，适用于功率因数校正、太阳能逆变器、不间断电源和DC-DC转换器等应用。

安森美

安森美的EliteSiC™产品系列提供多款基于MPS技术的碳化硅二极管，电压等级为650V、1200V和1700V。例如，FFSH40120ADN-F085是一款1200V、40A的双二极管，采用TO-247-3L封装和共阴极配置。

该SBD通过AEC-Q101认证，最高可在175°C的结温下工作，非常适合汽车应用，例如HEV/EV车载充电器和HEV/EV DC/DC转换器。

纳微半导体

纳微半导体的GeneSiC™合并PiN肖特基设计结合了PiN和肖特基二极管结构的最佳特性，实现了低正向压降、高浪涌电流能力和最小化的与温度无关的开关损耗。专有的薄芯片技术(图6)进一步降低了VF并改善了散热，以实现更低温运行。

图6

GeneSiC肖特基二极管提供650V、1200V、1700V和3300V电压等级。GD2X25MPS17N是一款高压1700V/50A MPS器件，采用SOT-227封装。这款SBD基于纳微第四代薄芯片技术构建，在25A/25°C条件下的最大正向压降VF为1.8V，非常适合EV快速充电器、风力发电转换器、太阳能逆变器、电源、高频整流器和电机驱动。

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