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Struttura JBS migliorata per ridurre la corrente di dispersione e aumentare la capacità di corrente di picco

I diodi a barriera Schottky (SBD) presentano vantaggi come tempo di ripristino inverso molto breve (trr) e bassa tensione diretta (VF), ma presentano svantaggi come l'elevata corrente di dispersione. Gli SBD SiC di Toshiba superano questo inconveniente grazie ad una struttura migliorata.

Struttura JBS per ridurre la corrente di dispersione (IR)

Un SBD è formato dalla giunzione di un semiconduttore con un metallo. Agisce come un diodo per mezzo della differenza funzionale tra semiconduttore e metallo. Poiché la struttura molecolare può essere discontinua sull'interfaccia semiconduttore-metallo, possono verificarsi irregolarità superficiali, difetti dei cristalli o altre anomalie. La corrente chiamata corrente di dispersione (IR) scorre quando un campo elettrico elevato viene applicato attraverso un'interfaccia semiconduttore-metallo in presenza di tali difetti.

Negli SBD con struttura convenzionale, la regione di svuotamento si estende nel lato semiconduttore, come mostrato sotto, facendo sì che il campo elettrico prodotto dalla carica elettrica (o elettroni) sia più forte all'interfaccia semiconduttore-metallo.
 

Al contrario, in un diodo JBS, la regione di svuotamento si estende tra le regioni p e n- che sono parzialmente annegate sotto la superficie del semiconduttore. Quando la tensione di polarizzazione inversa aumenta, le regioni di svuotamento di tipo p si attraversano a vicenda e la posizione del campo elettrico massimo si sposta direttamente sotto la regione p. Questo riduce il campo elettrico sulla superficie dove possono essere presenti difetti, riducendo così la corrente di dispersione.

SBD con struttura convenzionale

SBD con struttura convenzionale

JBS SBD

JBS SBD

Struttura Merged PiN Schottky (MPS) migliorata per aumentare la capacità di corrente di picco

Quando un SBD convenzionale è in polarizzazione diretta, la corrente scorre lungo il seguente percorso: metallo → Barriera Schottky → Si (n-) → Si (n+). Il layer Si (n-) ha una resistenza relativamente grande a causa della bassa concentrazione di drogante. Pertanto, la curva IF - VF di questo SBD assomiglia a quella mostrata di seguito.

Le applicazioni di SBD SiC includono i circuiti PFC, che devono garantire il funzionamento ad alta corrente perché sono istantaneamente esposti a una elevata durante la fase di turn-on di un alimentatore e durante le variazioni di carico. Pertanto, un SBD con curva IF - VF come mostrato sotto potrebbe surriscaldarsi più del previsto.

Corrente passante attraverso un SBD convenzionale

Corrente passante attraverso un SBD convenzionale

Curva IF - VF di un SBD convenzionale

Curva IF - VF di un SBD convenzionale

Per affrontare questo problema, Toshiba ha sviluppato nuovi SBD con una struttura JBS migliorata che incorpora il concetto di struttura MPS (Merged PiN Schottky). La struttura MPS ha regioni p+ annegate nella regione n- di un SBD, come mostrato sotto.  (Nel progetto di Toshiba, parte del layer-p della struttura JBS (l'area ombreggiata in figura) viene ingrandita e la concentrazione di impurità di questa parte viene aumentata). Le regioni p+ e la regione n- formano un diodo di giunzione pn, che passa allo stato di conduzione (turn-on) quando è richiesta corrente di picco (corrente di picco). Ciò aumenta la capacità di trasporto di corrente dell'SBD, riducendo così l'aumento della tensione diretta anche a corrente elevata e aumentando il valore massimo ammissibile di corrente di picco.

La struttura MPS è caratterizzata dalla configurazione p+–n-–n+ sotto l'anodo.

A bassa corrente, la regione n- ha tipicamente una resistenza elevata. Tuttavia, quando questo SBD è in polarizzazione diretta, le lacune e gli elettroni fluiscono nella regione n- dalle regioni p e n, rispettivamente, pur mantenendo l'elettroneutralità. In questo momento, nella regione n- sono presenti sia lacune che elettroni in alta concentrazione. Di conseguenza, la regione n- agisce come una regione fortemente drogata, in particolare ad alta corrente, mostrando una resistenza molto bassa (modulazione di conducibilità). Come risultato, questo SBD ha una curva IF-VF come mostrato di seguito, con bassa VF nella regione ad alta corrente.

Struttura JBS migliorata

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