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功率二极管技术的发展

功率二极管是功率半导体器件的重要分支。目前,商业化的功率二极管有 PIN 功率二极管和肖特基势垒功率二极管(SBD)。前者有着耐高压、大电流、低泄漏电流和低导通损耗的优点,但电导调制效应在漂移区中产生的大量少数载流子和较低的关断速度,限制了该器件向高频化方向发展。具有多数载流子特性的肖特基势垒功率二极管有着极高的开关频率,但其串联的漂移区电阻有着与器件耐压成25次方的矛盾关系,阻碍了肖特基势垒功率二极管的高压大电流应用,加之肖特基势垒功率二极管极差的高温持性、大的泄漏电流和软击穿特性,使得硅肖特基势垒功率二极管通常只工作在200V 以下的电压范围内。

为了获取高压、高频功率二极管,研究人员正在两个方向进行探索:一是采用新材料研制肖特基势垒功率二极管(包括SBD的改进型器件,如JBS等);二是沿用成熟的硅基器件(超大规模集成电路)工艺,通过新理论、新结构来改善高压二极管中导通损耗与开关频率间的矛盾关系。砷化镓(GaAs)肖特基势垒功率二极管虽然已经获得大量应用,但其142eV 的禁带宽度和仅15倍于硅材料的临界击穿电场,使得 GaAs肖特基势垒功率二极管也只能用在600V以下的电压范围内,远远不能满足现代电力电子技术的发展需要。碳化硅(SiC)材料以其宽的禁带宽度(22~32eV)、高的临界击穿电场(2×106~4×106V/cm)、快 的 饱 和 速 度(2×107cm/s)、高的热导率Γ(49W/cm2·K)、高 硬 度、强 抗 化 学 腐 蚀 性 和 可 与 Si相 比 的 迁 移 率 特性,以及其较为成熟的材料制备和制作工艺,使得SiC材料成为目前发展最快的宽带半导体材料和功率半导体器件的研究热点。在由美国海军资助的 MURI项目中,普渡(Purdue)大学于1999年研制成功4900V 的SiC肖特基势垒功率二极管。2000年5月25日,美国 CREE公司与日本关西电力公司(Kepco)联合宣布了他们研制成功世界上第一只超过12kV 的 SiC 二极管。这只耐压高达123kV 的二极管,正向压降在电流密度为100A/cm2时仅为49V。在硅基功率二极管方面,结合 PN 结低导通损耗、优良的阻断特性和肖特基势垒二极管高频率特性两者优点于一体的JBS、MPS、TMBS、TMPS等新器件正逐渐走向成熟。此外,为开发具有良好高频特性和优良导通特性的高压快恢复二极管,许多通过控制正向导通时漂移区少数载流子浓度与分布的新结构,如SSD、SPEED、SFD、ESD、BJD 等也不断出现。美国国防大学工程中心电力电子系统中心(CPES)研究的 MOS控制二极管(MOSControlledDiodeMCD),通过单片集成的 MOSFET 控制 PIN 二极管的注入效率,使 MCD 正向导通时既能有 PIN 二极管的大注入效应,在关断时又处于低的甚至零过剩载流子存储状态,从一个全新的角度提出了改善高压二极管中导通损耗与开关频率间矛盾关系的新方法。


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