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Design-Tipp

Leistung und Zuverlässigkeit von SiC-Schottky-Dioden

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Von der einfachen SBD zur JBS- Dioden-Struktur

Um dieses Problem zu lösen, setzten Hersteller von SiC-Komponenten auf ein anderes Design: Junction Barrier Schottky, kurz JBS (Bild 3). Bei diesem Ansatz wurden unter der Schottky-Barriere in regelmäßigen Abständen P+-Senken eingefügt, um die Zuverlässigkeit und Robustheit der Diode zu erhöhen.

Bei einer SiC-Schottky-Diode mit SBD-Design erstreckt sich der Gradient des elektrischen Feldes über den gesamten Durchmesser der N–-Schicht. Die höchste Feldstärke tritt an der Grenzschicht auf. Vertiefungen oder andere Bereiche mit Defekten an der Schottky-Schnittstelle sind daher hohen Belastungen ausgesetzt. In der JBS-Diode erzeugen die P+-Senken jedoch eine Reihe von Homoübergängen zur umgebenden N–-Schicht.

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Diese Sperrschicht an der Schnittstelle zwischen P+-Senken und N–-Schicht ist eine typische Erscheinung jedes Halbleiter-Übergangs. Wird an die Diode eine Sperrvorspannung angelegt, wirkt das angelegte elektrische Feld auf den p-n-Übergang ein. Der darauf resultierende Spitzenwert des elektrischen Feldes tritt dann an der Basis der P+-Senken auf, die sich in einiger Entfernung von Schäden an der Schottky-Barriere befinden. Dadurch weist eine Diode niedrigere Leckströme und eine höhere Durchgangsspannung auf als konventionelle Schottky-Dioden.

Eine Weiterentwicklung der JBS ist die Merged-PIN-Schottky-Diode (MPS). Sie bietet alle Vorteile von JBS-Dioden unter einer Sperrvorspannung, weist jedoch bei Anlagen einer Durchgangsspannung eine Besonderheit auf.

Wird der Aufbau der Diode verändert, bilden die P+-Senken einen P-i-N-Übergang zwischen der Drift-Schicht und dem Substrat. Diese P-i-N-Übergänge bleiben inaktiv, wenn eine Durchgangsspannung angelegt wird und verändern auch ihren Wert nicht. Bei Vorwärts-Transientenphasen wird der P-i-N-Übergang aktiv.

Dadurch ist die Diode für deutlich höhere Vorwärtsstromwerte ausgelegt (Bild 4). Schottky-Dioden auf Grundlage des MPS-Designs sind daher in der Lage, einen erheblich größeren Überstrom zu verkraften als konventionelle Schottky-Dioden.

Bild 5 zeigt Messungen mit einem Kennlinienschreiber bei einer MPS-Diode und einer herkömmlichen Schottky-Diode, wenn ein extrem hoher Vorwärtsstrom anliegt.

Bei herkömmlichen Dioden kann unter diesen Bedingungen ein thermisch instabiler Zustand auftreten, der wegen des hohen Abfalls der Vorwärtsspannung letztlich zur Zerstörung der Komponente führt. Bei MPS-Versionen von SiC-Schottky-Dioden tritt dieses Phänomen unter denselben Bedingungen nicht auf. Es kommt nur zu einer leichten Abnahme der Vorwärtsspannung.

Dies belegt, dass Dioden mit einem MPS-Design deutlich robuster sind als gewöhnliche Schottky-Dioden. Dies wird durch Informationen von Wolfspeed (einem Unternehmen von Cree) untermauert. Wolfspeed hat diese Felddaten im Laufe der vergangenen zehn Jahre zusammengetragen. Sie basieren auf zwei Billiarden Betriebsstunden von kommerziellen Dioden in diversen Systemen. Die gesamte FIT-Rate (Failure in Time) für die Gesamtzahl dieser Komponenten beträgt 0,27. Dies sind weniger als 15% des Wertes, der bei vergleichbaren Schottky-Dioden auf Silizium-Basis auftritt.

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