№4 / 2017 Статья 4 Дорогу карбиду кремния! – диоды Шоттки производства Littelfuse

Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)

Карбид кремния (SiC) – один из наиболее перспективных полупроводниковых материалов. Он отличается от традиционного кремния возможностью получения более высоких значений рабочего напряжения, меньшим уровнем статических и динамических потерь, большей устойчивостью к перегревам и помехам. Пример успешного использования этого материала – изделия компании Littelfuse.

Конструкции силовых высоковольтных кремниевых диодов постоянно совершенствуются. После стандартных диодов на рынке появились семейства Fast Recovery и Ultra Fast Recovery, которые отличаются меньшим временем восстановления. Главной целью их создания было снижение потерь и увеличение значений коммутируемых токов. Несмотря на явные достижения, в развитии силовых кремниевых диодов в последнее время наблюдается некоторая стагнация. Причиной этого является тот факт, что технологические возможности кремния практически исчерпаны. Требуется либо отказываться от диодов в пользу синхронных приложений с управляемыми мощными ключами, либо искать новые материалы, которые смогут удовлетворять растущие требования рынка.

Рис. 1. Диоды Шоттки на основе карбида кремния (SiC), производимые компанией Littelfuse

Рис. 1. Диоды Шоттки на основе карбида кремния (SiC), производимые компанией Littelfuse

Одним из наиболее перспективных материалов для сферы высоковольтных мощных приложений является карбид кремния SiC. При его использовании удается достичь значительного прогресса в решении задач по снижению мощности потерь, увеличению диапазона рабочих частот и напряжений, повышения устойчивости к помехам и перегревам. Примером успешного использования достоинств карбида кремния стало семейство мощных высоковольтных диодов Шоттки на его основе, производимых компанией Littelfuse (рисунок 1). Эти диоды по заявленным характеристикам не только не уступают существующим кремниевым аналогам, но и превосходят их по ряду параметров.

В настоящее время Littelfuse предлагает диоды Шоттки на основе карбида кремния с различными рабочими характеристиками:

  • с рейтингом напряжения 650 или 1200 В;
  • с номинальными токами до 20 А;
  • с зарядом восстановления от 6 нКл;
  • модели с одиночным диодом и парой диодов, объединенных общим катодом;
  • в корпусных исполнениях TO220-2L и TO247.

Ключевыми областями применения рассматриваемых диодов Шоттки станут мощные приложения, работающие в режимах как с мягкими, так и с жесткими переключениями.

Мощные кремниевые диоды: достоинства и недостатки

Перед тем как начать разговор о недостатках кремния, стоит отметить, что кремниевые диоды – это надежное, проверенное десятилетиями решение. Говорить о том, что они абсолютно устарели, конечно, нельзя. Более того, они обладают неоспоримыми достоинствами и целым рядом преимуществ:

  • самые современные диоды способны работать с напряжениями более 1 кВ и коммутировать токи в сотни ампер;
  • кремниевая технология бюджетна и хорошо отлажена;
  • к услугам разработчиков предлагается огромная номенклатура моделей от множества производителей;
  • доступны различные корпусные исполнения и так далее.

Анализируя вышесказанное, можно утверждать, что новые материалы еще не скоро смогут вытеснить кремний с рынка. Вместе с тем, у этого полупроводникового материала есть очевидные недостатки.

С чисто физической точки зрения кремний практически исчерпал себя. Ожидать фантастических прорывов в характеристиках кремниевых приборов не стоит. В частности, многие электрические свойства мощных диодов, например, допустимое рабочее напряжения и уровень потерь проводимости (рисунок 2), зависят от толщины кристалла.

Рис. 2. Влияние толщины полупроводника на характеристики диода

Рис. 2. Влияние толщины полупроводника на характеристики диода

Чтобы создать диод, способный работать без пробоя с напряжениями до 1200 В, потребуется общая толщина слоя кремния в 120 мкм. Увеличение стоимости и габаритов – это только часть проблемы, так как рост толщины неизбежно приводит к увеличению мощности потерь при прямой проводимости.

Снизить потери проводимости пытаются за счет внедрения высоколегированных областей различной формы, чтобы увеличить число неосновных носителей. Но и здесь возникают проблемы – при выключении диода требуется дополнительное время на рассасывание этих носителей (время восстановления).

В целом ряде приложений наличие времени восстановления приводит к возрастанию динамических потерь. Рассмотрим случай самого обычного импульсного преобразователя, работающего на индуктивную нагрузку, например, мотор вентилятора (рисунок 3). Пусть в начальный момент времени транзистор находился во включенном состоянии, при этом энергия накачивалась в индуктивную нагрузку Lн. В момент выключения транзистора ток начинает протекать через диод VD. Если к моменту начала следующего периода коммутации ток в индуктивности не спал до нуля, то при включении VT1 будет наблюдаться бросок тока (сквозной ток через транзистор и диод). Это связно с тем, что за время включенного состояния диод VD1 успел накопить большой объем неосновных носителей. Эти носители и приводят к возникновению сквозных токов. Чем больше время восстановления – тем длительнее импульс тока и тем больше потери.

Рис. 3. Процесс восстановления диода при переключениях

Рис. 3. Процесс восстановления диода при переключениях

Для минимизации динамических потерь применяют различные ухищрения, однако полностью избавиться от токовых хвостов не удается. На сегодняшний день время восстановления традиционных кремниевых диодов составляет десятки-сотни наносекунд. При использовании карбида кремния это значение удается снизить на порядок. Это одна из причин, по которой карбид кремния является одним из наиболее перспективных материалов для создания мощных высоковольтных компонентов.

Преимущества использования карбида кремния в высоковольтной силовой электронике

Интерес к альтернативным полупроводниковым материалам появился давно. Почти все наиболее перспективные полупроводники были открыты до 90-х годов прошлого столетия. Такие материалы как нитрид галлия и карбид кремния уже прошли стадию теоретических исследований и активно внедряются в производство.

Анализ характеристик помогает обнаружить ключевые достоинства полупроводниковых материалов, которые будут определять их специализацию (таблица 1). Например, нитрид галлия отличается максимальным значением подвижности и дрейфовой скоростью носителей. Этот материал идеально подходит для высокочастотных приложений и силовой импульсной электроники с рабочими напряжениями до 600 В. Карбид кремния характеризуется максимальным значением критической напряженности и высокой дрейфовой скоростью, что делает его наиболее привлекательным материалом для создания высоковольтных полупроводниковых компонентов.

Таблица 1. Сравнение характеристик различных полупроводниковых материалов

Параметр Материал
GaN Si SiС
Ширина запрещенной зоны, эВ 3,4 1,12 3,2
Критическая напряженность, МВ/см 3,3 0,3 3,5
Дрейфовая скорость насыщения электронов, x107 см/с 2,5 1 2
Подвижность, см2/В•с 990…2000 1500 650
Диэлектрическая проницаемость 9,5 11,4 9,7

Для кремниевых диодов с рабочим напряжением до 1200 В требуется создание слоя полупроводника толщиной не менее 120 мкм. Это связано с тем, что критическая напряженность для кремния составляет «всего» 0,3 МВ/см. Для SiC критическая напряженность превосходит аналогичный показатель кремния более чем в 10 раз и составляет 3,5 МВ/см. Это значит, что для SiC-диода с рабочим напряжением 1200 В необходимая толщина полупроводникового слоя оказывается также в 10 раз меньше.

Кроме снижения габаритов, уменьшение толщины приводит к двум дополнительным преимуществам. Во-первых, появляется возможность более эффективного теплоотвода. Во-вторых, уменьшение длины проводящего канала неизбежно снижает сопротивление, а значит, и уровень потерь мощности.

Рис. 4. Удельное сопротивление различных полупроводниковых материалов

Рис. 4. Удельное сопротивление различных полупроводниковых материалов

Говоря о величине сопротивления канала, стоит упомянуть о таком показателе как удельное сопротивление. По этому параметру карбид кремния превосходит обычный кремний и лишь немного уступает нитриду галлия (рисунок 4). В результате GaN и SiC имеют на порядок большую удельную мощность, что приводит к значительному уменьшению габаритов по сравнению с традиционными кремниевыми элементами.

В итоге получается, что по сравнению с кремнием карбид кремния имеет более высокое рабочее напряжение, меньшее значение удельного сопротивления, большую удельную мощность и лучшие возможности теплоотвода. В результате именно карбид кремния оказывается наиболее перспективным высоковольтным материалом для мощных полупроводниковых компонентов. Ярким примером этого стало новое семейство диодов Шоттки на основе SiC производства компании Littelfuse.

Структура и характеристики SiC-диодов Шоттки от Littelfuse

Диоды Шоттки не содержат традиционного p-n-перехода. Вместо этого используется переход «металл-полупроводник». Структура диодов Шоттки на основе SiC производства компании Littelfuse состоит из трех слоев (рисунок 5): высоколегированного основания n+, низколегированного дрейфового слоя n-, металла анода. Барьер Шоттки образуется между металлом анода и дрейфовым слоем.

Рис. 5. Структура диодов Шоттки от Littelfuse на основе карбида кремния

Рис. 5. Структура диодов Шоттки от Littelfuse на основе карбида кремния

Кроме основных n-легированных слоев в структуре формируются легированные карманы p+. Они выполняют двойную функцию. С одной стороны, при приложении к диоду обратного смещения области p+ создают дополнительную зону обеднения, что приводит к уменьшению значений обратных токов. С другой стороны, при приложении прямого смещения области p+ могут обеспечить защиту от помех со значительными импульсными токами. В последнем случае они выступают в качестве источников дополнительных носителей зарядов.

Рис. 6. Сравнение характеристик различных типов диодов

Рис. 6. Сравнение характеристик различных типов диодов

В результате исследований, проведенных компанией Littelfuse, оказалось, что новое семейство диодов Шоттки на основе SiC превосходит кремниевые диоды по целому ряду ключевых показателей (рисунок 6). При максимальном рабочем напряжении до 1200 В они отличаются минимальным падением напряжения, максимальной допустимой температурой перехода до 175°С, рекордными значениями времени восстановления и заряда восстановления.

Малые значения времени обратного восстановления и заряда восстановления позволяют минимизировать динамические потери на переключения (рисунок 7). При использовании импульсных схем (рисунок 3) удается практически полностью избавиться от токовых импульсов обратной полярности.

Рис. 7. Сравнение диаграмм восстановления различных типов диодов

Рис. 7. Сравнение диаграмм восстановления различных типов диодов

Использование диодов Шоттки на основе SiC производства Littelfuse дает целый ряд преимуществ:

  • сокращение уровня потерь проводимости;
  • сокращение уровня динамических потерь;
  • увеличение диапазонов частот коммутации с последующим уменьшением габаритов трансформаторов, индуктивностей и конденсаторов выходных фильтров;
  • рост коммутируемой мощности без увеличения габаритов радиаторов;
  • сокращение импульсных нагрузок на силовые транзисторы, которые при использовании кремниевых диодов работали в режиме перегруза при протекании сквозных токов при включении;
  • сокращение общего перегрева системы.

Обзор номенклатуры SiC-диодов Шоттки от Littelfuse

В настоящее время семейство SiC-диодов Шоттки производства Littelfuse насчитывает 11 представителей: шесть моделей с рабочим напряжением до 650 В и пять моделей с рейтингом 1200 В (таблица 2).

Таблица 2. Характеристики SiC-диодов Littelfuse

Наименование Рейтинг напряжения, В Iном, А Uпрям, В Iобр, мкА Iимп, А Qс, нКл Корпус Tj макс, °С Схема
LFUSCD04065A 650 4 1,5 170 32 6 TO220-2L 175 Одиночный
LFUSCD06065A 650 6 1,5 200 48 9 TO220-2L 175 Одиночный
LFUSCD08065A 650 8 1,5 230 64 13 TO220-2L 175 Одиночный
LFUSCD10065A 650 10 1,5 250 75 16 TO220-2L 175 Одиночный
LFUSCD16065B 650 16 1,5 460 96 26 TO247 175 Одиночный
LFUSCD20065B 650 20 1,5 500 90 32 TO247 175 Одиночный
LFUSCD05120A 1200 5 1,5 190 40 14 TO220-2L 175 Одиночный
LFUSCD10120A 1200 10 1,5 250 80 35 TO220-2L 175 Одиночный
LFUSCD15120A 1200 15 1,5 300 120 60 TO220-2L 175 Одиночный
LFUSCD20120B 1200 2 x 10 1,5 500 160 70 TO247 175 Общий катод
LFUSCD30120B 1200 2 x 15 1,5 600 240 120 TO247 175 Общий катод

Диоды с рейтингом 650 В имеют следующие характеристики:

  • постоянная токовая нагрузка: 4…20 А;
  • импульсная токовая нагрузка: 32…90 А;
  • прямое падение напряжения: 1,5 В;
  • заряд восстановления: 6…32 нКл;
  • обратный ток: 170…500 мкА;
  • два типа корпусных исполнений: TO220-2L и TO247.

Особо нужно отметить модели LFUSCD04065A с минимальным зарядом восстановления 6 нКл и наиболее мощный диод LFUSCD20065B с токовой нагрузкой до 20 А и зарядом на восстановление всего 32 нКл.

Диоды с рейтингом 1200 В имеют следующие характеристики:

  • постоянная токовая нагрузка: 5…15 А;
  • импульсная токовая нагрузка: 40…240 А;
  • прямое падение напряжения: 1,5 В;
  • заряд восстановления: 14…120 нКл;
  • обратный ток: 190…600 мкА;
  • два типа корпусных исполнений: TO220-2L и TO247.

Модели LFUSCD20120B и LFUSCD30120B отличаются наличием двух диодов с общим катодом в одном корпусе. Эти же модели характеризуются максимальной токовой нагрузкой.

Рис. 8. Расшифровка наименований SiC-диодов Littelfuse

Рис. 8. Расшифровка наименований SiC-диодов Littelfuse

При заказе SiC-диодов Littelfuse необходимо использовать наименование, которое включает пять полей (рисунок 8): зашифрованное название компании и семейство, рейтинг тока, рейтинг напряжения и тип корпуса.

Рассматриваемое семейство диодов выпускается в двух вариантах корпусных исполнений: TO220-2L и TO247. Они оба идеально подходят для мощных приложений с радиаторами и монтажом на печатную плату.

Анализ заявленных характеристик говорит о том, что SiC-диоды Шоттки производства компании Littelfuse наверняка будут востребованы в целом ряде приложений силовой и преобразовательной техники, например, в корректорах коэффициента мощности, в DC/DC-преобразователях блоков питания, в инверторах сварочных аппаратов, в системах питания и драйверах электромоторов, в блоках бесперебойного питания и многих других.

Заключение

По сравнению с традиционным кремнием, карбид кремния имеет более высокое рабочее напряжение, меньшее значение удельного сопротивления, большую удельную мощность и лучшие возможности теплоотвода. В результате именно карбид кремния оказывается наиболее перспективным материалом для мощных полупроводниковых компонентов.

Диоды Шоттки на основе SiC отличаются высоким рабочим напряжением, минимальным падением напряжения при прямом смещении, максимальной допустимой температурой перехода до 175°С, рекордно низкими значениями времени восстановления и заряда восстановления.

SiC-диоды Шоттки Littelfuse имеют рейтинги напряжения 650 В и 1200 В, постоянный ток до 20 А, заряд восстановления от 6 нКл. Выпускаются они в корпусных исполнениях TO220-2L и TO247. Это позволяет использовать их в целом ряде приложений силовой электроники – от блоков бесперебойного питания до драйверов электродвигателей.

Литература

  1. The New Name in Power Semiconductors. LFUSCD Series SiC Schottky Diodes. 2016, Littelfuse.

Littelfuse_LFUSCD_NE_04_17