碳化硅(SiC)功率器件在高压和高温应用中展现出卓越的效率与性能，而传统硅基器件在这些领域则面临物理极限。
在各类SiC器件中，肖特基势垒二极管(SBD)被公认为最早问世的SiC功率器件，相关研究可追溯至1974年[1]。SBD很快便实现了广泛的商业化应用，尤其在电动汽车牵引逆变器和可再生能源装置等电源转换系统中。
SiC肖特基势垒物理原理
与依赖P型和N型半导体结的PN结二极管不同，SBD通过金属-半导体接触形成整流势垒。当金属触点与轻掺杂的N型半导体接触时，会形成一个耗尽区及相应的势垒。势垒高度(对于SiC肖特基二极管通常为0.8至1.2eV)决定了器件的诸多电学特性。
与电子和空穴均参与导电的PN结二极管不同，肖特基二极管(图1)是一种多数载流子(单极型)器件，几乎没有少数载流子注入。这消除了存储电荷效应，使其开关速度远超PN结二极管。
图1：SBD的基本结构。(来源：东芝[3])
SiC的禁带宽度约为3.25eV，远大于硅(Si)的1.1eV，这使得在相同漂移区厚度下，SiC的击穿电压显著更高。SiC的临界电场强度超过2MV/cm，约为硅的十倍[2]。这意味着，SiC器件仅需十分之一厚度的漂移区即可达到与同等硅器件相同的击穿电压，从而大幅降低导通电阻。
SiC兼具肖特基二极管固有的快速开关特性与优异的材料特性，可开发出同时具备低导通损耗和极低开关损耗的器件。
SiC的另一大优势在于其卓越的热管理性能，其热导率约为硅的三倍(4.2W/cm·K对比1.48W/cm·K)[2]。此外，SiC的宽禁带使其能够在超过175℃的结温下工作。这些优异的热性能降低了对冷却系统的要求，并提升了在关键和高要求应用中的可靠性。
当施加外部电压时，N型SiC漂移区的电子会越过肖特基势垒流入金属阳极。由于没有少数载流子(空穴)注入，结区内不会产生电荷存储。
耗尽区从金属-半导体界面延伸至SiC漂移层。得益于较高的临界击穿场强，在相同击穿电压下，SiC的该漂移层可以比硅的更薄，且掺杂浓度更高。
与传统硅SBD相比的优势
硅基SBD虽能实现极快的响应速度，但受限于漏电流和较低的击穿强度，其工作电压通常低于200V。
相比之下，SiC SBD具有以下优势：
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高电压额定值：Si SBD仅适用于低电压场景，而SiC SBD的商用产品电压额定值可达数千伏。
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导热性：SiC的高热导率使其散热性能更佳，散热器尺寸也更小。
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温度稳定性：SiC SBD可在高达175℃的结温Tj下工作(理论上可更高)，而不会像硅基器件那样出现漏电流激增的情况。
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正温度系数：SiC SBD的正向压降(VF)随温度升高而升高。换言之，在相同VF下，结温升高会导致正向电流减小。这使得并联操作变得安全便捷，因为温度较高的二极管会自然地将电流“推”向温度较低的二极管，从而防止热失控[4]。
MPS和JBS架构
传统的SiC SBD虽然开关速度快、反向恢复电流低，但在高电压和高温下工作时，通常存在反向漏电流大和浪涌电流承受能力有限的问题。
为解决这些局限，业界提出了合并式PiN肖特基(MPS)和结势垒肖特基(JBS)架构，通过在N型漂移层中引入P型区域(P+注入)来实现。该设计在肖特基接触上形成了额外的PN结。
在正向偏置下，电流主要流经低势垒的肖特基区域，从而保持较低的VF和快速开关。然而，在反向偏置或大电流浪涌期间，PN结会阻断电流泄漏路径，从而降低反向漏电流并增强抗浪涌电流能力。
市售SiC SBD
本节将探讨几款市售的SiC SBD，涵盖不同的电压和电流额定值，并分析制造商如何针对特定应用优化其设计。
Wolfspeed
Wolfspeed是SiC技术的先驱，提供一系列额定电压从600V到1700V的SiC肖特基二极管，适用于功率整流器和需要反向电流保护的工业电路。
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℃下的最大VF为1.8V；得益于SiC的正温度系数特性，在175℃时该压降会增至约2.4V。
C3D10065A采用TO-220-2封装，典型结壳热阻为1.1℃/W。由于SiC肖特基二极管是多数载流子器件，不存在反向恢复电荷(Qrr)，因此可实现快速开关操作(图2)。
图2：Wolfspeed C3D10065A SiC肖特基二极管的反向特性。(来源：Wolfspeed)
这些肖特基二极管(SBD)采用MPS技术，具备高浪涌耐受能力。该器件还采用了JBS结构，利用肖特基接触下方的P型区域屏蔽结区，从而在高温下抑制漏电流。
英飞凌
英飞凌科技的CoolSiC系列肖特基二极管包含三个主要产品系列，额定电压分别为650V、1200V和2000V。IDH10G65C5肖特基二极管属于650V G5系列，其额定电压和电流与前文提及的Wolfspeed器件相似，但优化重点有所不同。
这款650V、10A的器件在额定电流和环境温度下实现了1.7V的较低最大VF。该器件采用英飞凌专有的MPS结构，集成了仅在浪涌电流条件下激活的PN结器件。这种设计在正常工作时提供类似肖特基二极管的性能，同时在故障情况下提供更高的耐用性。
热特性方面，该器件在TO-220-2封装中的典型结壳热阻为1.0K/W，且在整个温度范围内都能稳定工作，避免了硅肖特基二极管在高温下常见的热失控问题。
该器件采用了英飞凌thinQ!第五代技术，结合了英飞凌专有的扩散焊接工艺(最初应用于第三代产品)、更紧凑的架构和薄晶圆制造技术。通过晶圆减薄工艺，在不影响质量或良率的情况下，将晶圆厚度减至原来的三分之一左右。这种减薄降低了衬底的电阻影响，并提高了浪涌电流的鲁棒性(图3)。
图3：英飞凌专有的薄晶圆技术使芯片更薄，从而降低衬底电阻。(来源：英飞凌)
意法半导体(ST)
针对更大功率的应用，ST提供STPSC20H12-Y，这是一款额定电压1200V、连续电流20A的器件。其最大VF在20A和25℃时为1.5V，在20A和150℃时为2.25V。ST在其最新一代SiC肖特基二极管中采用了MPS技术，实现了高浪涌保护、低VF和更佳的热稳定性。
该器件提供TO-220AC、D2PAK和D2PAK HV封装，典型结壳热阻为0.3℃/W。STPSC20H12-Y符合AEC-Q101标准，支持-40℃至+175℃的工作结温，非常适合车载充电器和PFC电路等汽车和工业领域的硬开关应用。
罗姆半导体(ROHM)
罗姆半导体推出了SCS2xxxNHR系列SMD SiC SBD，该系列通过增加端子间的爬电距离来提高绝缘电阻。该系列提供650V和1200V两种电压规格，覆盖了电动汽车(xEV)应用中广泛使用的400V系统，包括车载充电器(OBC)、电动汽车充电器、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)，取消了封装底部的中心引脚，从而将爬电距离增至至少5.1mm，约为标准型号的1.3倍。这降低了端子间发生爬电放电的风险，并且在高压应用中进行表面贴装时，无需使用树脂灌封作为绝缘措施。
图4：SCS2xxxNHR系列具有更大的爬电距离。(来源：ROHM)
Bourns
Bourns提供丰富的SiC SBD产品线，适用于整流应用，额定电压分别为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VF、低热阻和低功率损耗，尤其适用于高要求电源应用。
这款650V/10A SiC SBD采用TO-220-2封装，在25℃/10A条件下最大VF为1.7V，在175℃/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转换器和电机驱动器。
图5：BSDH10G65E2的典型正向特性。(来源：Bourns)
东芝(Toshiba)
东芝第三代SiC SBD提供650V和1200V两种额定值，采用JBS结构，具有低漏电流和强大的浪涌电流性能，适用于开关电源。
TRS10H120H是一款1200V/10A的SiC SBD，采用TO-247-2L封装。该器件具有低VF(典型值1.27V)、低Qc(典型值61nC)和低IR(典型值1.0µA)的优势。该SBD采用东芝改进的JBS结构，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(UPS)和DC-DC转换器等应用。
安森美(onsemi)
安森美的EliteSiC产品系列提供多款基于MPS技术的SiC二极管，额定电压分别为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，具有共阴极结构。
该SBD符合AEC-Q101标准，最高结温可达175℃，非常适合混合动力汽车(HEV)车载充电器和HEV DC/DC转换器等汽车应用。
纳微半导体(Navitas)
纳微半导体的GeneSiC MPS二极管设计融合了PiN和肖特基二极管结构的优点，实现了低VF、高浪涌电流承受能力以及极低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，从而实现更低的运行温度。
图6：Navitas GeneSiC MPS二极管的结构，其中包含注入到漂移区的额外P型掺杂阱。(来源：Navitas[5])
GeneSiC肖特基二极管提供650V、1200V、1700V和3300V四种额定电压规格。GD2X25MPS17N是一款高压1700V/50A MPS，采用SOT-227封装。该肖特基二极管基于Navitas Gen4薄芯片技术制造，在25A/25℃条件下最大VF为1.8V，非常适用于电动汽车快速充电器、风力发电机、太阳能逆变器、电源、高频整流器和电机驱动器等应用。
参考文献
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SiCLAB, Rutgers University, and NASA Glenn Research Center, “Silicon Carbide Schottky Barrier Diode”
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Bourns, Inc., “Comparing Silicon Carbide Schottky Diodes to Silicon Diodes in Power Conversion Designs”
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Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation, “Schottky Barrier Diodes (SBDs)”
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Bourns, Inc., “Performance Differences Between SiC and Silicon-based Diodes in Meeting Efficiency and Density Requirements”
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Navitas Semiconductor, “Silicon Carbide MPS Diodes Boost Efficiency and Reliability”
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