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Verbesserte JBS-Struktur zur Verringerung von Verluststrom und Erhöhung der Überspannungsstromfähigkeit

Schottky-Dioden (SBDs) haben zwar Vorteile, z. B. eine sehr kurze Sperrverzugszeit (trr) und eine niedrige Durchlassspannung (VF), aber auch Nachteile, z. B. hohe Verlustströme. Die SiC-SBDs von Toshiba gleichen diesen Nachteil durch den Einsatz einer verbesserten Struktur wieder aus.

JBS-Struktur zur Verringerung von Verlustströmen (IR)

Eine SBD wird durch die Sperrschicht eines Halbleiters mit einem Metall gebildet. Sie funktioniert wie eine Diode, da sich die Arbeitsfunktion eines Halbleiters und eines Metalls unterscheidet. Da die Molekularstruktur an der Halbleiter-Metall-Schnittstelle diskontinuierlich sein kann, können Unregelmäßigkeiten an der Oberfläche, Gitterfehler oder andere Anomalien auftreten. Der sogenannte Verluststrom (IR) fließt, wenn ein starkes elektrische Feld über eine Halbleiter-Metall-Schnittstelle mit diesen Fehlern angelegt wird.

Bei SBDs mit konventioneller Struktur erstreckt sich die Raumladungszone wie unten dargestellt in den Halbleiterbereich, sodass das durch elektrische Ladung (oder Elektronen) erzeugte elektrische Feld an der Halbleiter-Metall-Schnittstelle am stärksten ist.
 

Im Gegensatz dazu erstreckt sich bei einer JBS-Diode die Raumladungszone zwischen p- und n--Regionen, die teilweise unter der Halbleiteroberfläche verborgen sind. Wenn die Sperrspannung ansteigt, durchstoßen sich Raumladungszonen des Typs p gegenseitig und die Position des maximalen elektrischen Feldes bewegt sich direkt unterhalb der p-Region. Dadurch wird das elektrische Feld an der möglicherweise fehlerhaften Oberfläche reduziert und damit der Verluststrom verringert.

SBD mit konventioneller Struktur

SBD mit konventioneller Struktur

JBS-SBD

JBS-SBD

Merged-PiN-Schottky-Struktur (MPS) zur Vergrößerung der Überspannungsstromfähigkeit

Wenn eine konventionelle SBD über eine vorgespannte Durchlassrichtung verfügt, fließt der Strom folgendermaßen: Metall → Schottky-Barriere → Si (n-) → Si (n+). Die Si-Schicht (n-) weist aufgrund der geringen Dotierstoffkonzentration einen relativ großen Widerstand auf. Daher sieht die IF - VF-Kurve dieser SBD wie unten dargestellt aus.

Zu den Anwendungen von SiC-SBD gehören PFC-Schaltungen, die bei hohem Strom zuverlässig funktionieren müssen, da sie sowohl beim Einschalten einer Stromversorgung als auch bei Lastschwankungen sofort einem hohen Strom ausgesetzt sind. In diesem Fall können SBDs mit einer IF - VF-Kurve wie der unten dargestellten stärker überhitzt werden als erwartet.

Stromfluss durch eine konventionelle SBD

Stromfluss durch eine konventionelle SBD

IF-VF-Kurve einer konventionellen SBD

IF-VF-Kurve einer konventionellen SBD

Zur Lösung dieses Problems hat Toshiba neue SBDs mit einer verbesserten JBS-Struktur entwickelt, die das Konzept der Merged-PiN-Schottky-Struktur (MPS) berücksichtigen. Bei der MPS-Struktur sind, wie unten dargestellt, p+-Regionen in der n--Region einer SBD verborgen.  (Bei Toshibas Entwurf wird ein Teil der p-Schicht der JBS-Struktur (der schattierte Bereich in der Abbildung) vergrößert und die Verunreinigungskonzentration dieses Teils erhöht.) Die p+-Regionen und die n--Region bilden eine pn-Sperrschichtdiode, die sich einschaltet, wenn starker Strom (Überspannungsstrom) erforderlich ist. So wird die Strombelastbarkeit der SBD erhöht und der Anstieg der Durchlassspannung auch bei starkem Strom reduziert. Gleichzeitig wird auch der maximal zulässige Überspannungsstromwert erhöht.

Die MPS-Struktur wird durch die p+–n-–n+-Konfiguration unter der Anode charakterisiert.

Bei geringem Strom weist die n--Region üblicherweise einen hohen Widerstand auf. Wenn die SBD jedoch über eine vorgespannte Durchlassrichtung verfügt, fließen Löcher und Elektronen aus der p- oder n-Region in die n--Region, wobei die Elektroneutralität erhalten bleibt. In der n--Region gibt es zu diesem Zeitpunkt sowohl Löcher als auch Elektronen mit hoher Konzentration. Folglich verhält sich die n--Region, insbesondere bei starkem Strom, wie eine stark dotierte Region, die einen sehr geringen Widerstand (Leitfähigkeitsmodulation) aufweist. Infolgedessen hat diese SBD eine IF-VF-Kurve wie unten dargestellt mit niedrigem VF im Hochstrombereich.

Verbesserte JBS-Struktur

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