SI和SIC碳化硅二極管性能對(duì)比分析

  為了更好的體現(xiàn)4H-SIC pn結(jié)型二極管正偏壓時(shí)候的優(yōu)越性能，將4H-SIC pn結(jié)二極管和Si pn結(jié)二極管進(jìn)行仿真對(duì)比。
 
  1. Si和SIC二極管I-V特性
  以4H-SIC pn結(jié)二極管為例，如圖1是Si和SIC材料二極管300K下正向I-V特性，其中I_L為大注入時(shí)電壓電流變化關(guān)系，I_D為小注入時(shí)電壓電流變化趨勢(shì)。

 
  在電流為10μA時(shí)，Si、SIC二極管理想因子均為I，工作在少子擴(kuò)散區(qū)，此時(shí)Si二極管的電壓為0.6V，SIC二極管的電壓為2.55V。可以看出，SIC二極管正向壓降較大，因此SIC的禁帶寬度遠(yuǎn)高于Si材料的禁帶寬度。通過計(jì)算得出在理想因子n=1，Si半導(dǎo)體材料的禁帶寬度E_g約為1.1eV左右，SIC半導(dǎo)體材料的禁帶寬度E_g約為3.3eV左右。
 
  2. 電流隨溫度變化趨勢(shì)
  二極管正向工作區(qū)由三部分組成：小電流區(qū)、少子擴(kuò)散區(qū)，以及空間電荷區(qū)復(fù)合作用下的大電流區(qū)。小注入時(shí)可以認(rèn)為擴(kuò)散區(qū)里到處電場(chǎng)強(qiáng)度都等于零，注入載流子只作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。大注入是指正偏工作時(shí)注入載流子密度等于或高于平衡態(tài)多子密度的工作狀態(tài)。P+n結(jié)隨正向電流增加，滿足P_n≥n_n0即為大注入。  
  圖2 SIC pn結(jié)型二極管和4H-SIC pn結(jié)型二極管擴(kuò)散電流區(qū)最大電流及最小電流與溫度關(guān)系，其中I_L為大注入時(shí)電壓電流變化關(guān)系，I_D為小注入時(shí)電壓電流變化趨勢(shì)?？梢钥闯觯S著溫度升高，二極管擴(kuò)散區(qū)的電流適用范圍逐漸減小。Si pn結(jié)型二極管在300K時(shí)，電流范圍約為10^-10~1A，達(dá)到550K時(shí)，電流范圍10²~10^-1A，電流范圍趨近于零，二極管特性基本消失。4H-SiC pn結(jié)型二管在300K時(shí)，電流范圍約為10^-14~10^-2A，達(dá)到550K時(shí)，電流范圍為10^-9~10^-3A。當(dāng)其至700K時(shí)，電流范圍為10^-7~10^-3A，這是由于寬禁帶特性，擴(kuò)散區(qū)的范圍緩慢減小，在達(dá)到700K時(shí)仍具有一定的工作區(qū)。
 
  3. 擴(kuò)散區(qū)電流范圍對(duì)比
  圖3是以二極管擴(kuò)散區(qū)電流范圍?I的對(duì)數(shù)為縱坐標(biāo)，溫度T為橫坐標(biāo)，更為直觀的表現(xiàn)出兩種不同材料二極管的電流范圍變化。對(duì)比Si二極管、SiC二極管隨著溫度升高的擴(kuò)散區(qū)電流范圍的變化。Si pn結(jié)型二極管在300K時(shí)，電流范圍約為10個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到550K時(shí)，電流范圍趨近于零，二極管特性基本消失。4H-SIC pn結(jié)型二極管在300K時(shí)，電流范圍約為10個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到550K時(shí)，電流范圍6個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)其至700K時(shí)，電流范圍3個(gè)數(shù)量級(jí)，這是由于寬禁帶特性，擴(kuò)散區(qū)的范圍緩慢減小，在達(dá)到700K時(shí)仍具有一定擴(kuò)散區(qū)范圍。  
  由此可知，寬禁帶材料的優(yōu)越性能顯著，在高溫下其耐高溫特性尤為突出。700K時(shí)4H-SIC pn結(jié)型二極管仍有二極管特性，這主要是由于SIC材料的寬禁帶持件，使得電流在高溫下仍因少數(shù)載流子擴(kuò)散引起，因此仍具有理想因子接近的擴(kuò)散區(qū)范圍。體現(xiàn)了SIC二極管的耐高溫性。因此，對(duì)極端條件下選取4H-SIC pn結(jié)二極管適用擴(kuò)散區(qū)范圍達(dá)到理想工作狀態(tài)有重要意義。
 
  4. 結(jié)論
  本文研究了溫度對(duì)4H-SIC pn結(jié)型二極管的正向工作區(qū)的影響。通過模擬I-V曲線和理想因子的變化，表明了4H-SIC pn結(jié)型二極管的耐高溫特性，隨著溫度升高，擴(kuò)散區(qū)的范圍逐漸減小。同時(shí)得出寬禁帶材料二極管高溫下的反向漏電流極小，在600K時(shí)SIC pn結(jié)型二極管在高溫阻斷狀態(tài)下的漏電流可忽略，可以有效避免二次擊穿發(fā)生。
  外延層厚度對(duì)4H-SIC pn結(jié)型二極管的反向特性影響，設(shè)置厚度依次1.2μm、2μm、2.8μm、3.8μm，模擬表明外延層厚度對(duì)臨界擊穿電壓影響很大，厚度越大，反向擊穿電壓越大。
  通過4H-SIC pn結(jié)型二極管與Si pn結(jié)型二極管做對(duì)比仿真，Si二極管在達(dá)到550K時(shí)，范圍趨近于零，二極管特性消失。而SIC二極管由于寬禁帶特性，擴(kuò)散區(qū)的范圍緩慢減小，在達(dá)到700K時(shí)仍具有一定的工作區(qū)，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于Si pn結(jié)型二極管。通過對(duì)4H-SIC pn結(jié)型二極管的正反偏移工作范圍、臨界擊穿電場(chǎng)范圍等參數(shù)分析。對(duì)選取4H-SIC pn結(jié)型二極管適用工作區(qū)范圍有參考意義。


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