שפרו את נצילות התקני SiC‏ באמצעות דיודות שוטקי עם פינים-מחוברים

מאת ‎Steven Keeping

באדיבות ‎DigiKey's North American Editors

לסיליקון קרביד (SiC) יתרונות על פני סיליקון (Si) ההופכים אותו למתאים במיוחד עבור דיודות שוטקי (Schottky‏) ביישומים כמו מטעני סוללות מהירים, ממירי סוללות פוטו-וולטאיות (PV) ואינוורטרי הינע (Traction‏). ועדיין, המתכננים נדרשים לשפר את הנצילות עוד יותר.

שתי הדרכים לעשות זאת עם התקני SiC הן הפחתת זרם הזליגה וההפסדים עקב ההתנגדות התרמית. בעוד שהשגת יעדים אלה הייתה מאתגרת, דיודות שוטקי עם פינים-מחוברים (MPS) מציעות פתרון. התקני MPS גם משפרים את ביצועי זרם הנחשול של דיודות שוטקי.

מאמר זה מסביר את היתרונות של דיודות SiC Schottky על פני דיודות קונבנציונליות עבור יישומים בהספק גבוה, ומתאר היכן ניתן להשיג שיפורי ביצועים נוספים. לאחר מכן הוא מציג דוגמאות של דיודות MPS של Nexperia, מסכם את המאפיינים העיקריים שלהן, ודן כיצד המתכננים יכולים להפיק תועלת מהיישום שלהם.

היתרונות של דיודות SiC Schottky

היתרון של דיודת SiC Schottky על פני צומת Si P-N מסורתי נובע מהמאפיינים של חומר המוליכים-למחצה הבסיסי ומהתכן שלו. ל-SiC יש פער-אנרגיה (Bandgap‏) רחב יותר לעומת Si. פער-אנרגיה הוא האנרגיה הדרושה להעברת אלקטרונים מפס הערכיות (Valence‏) לפס ההולכה במוליך-למחצה, והוא מהווה גורם מכריע בקביעת המוליכות החשמלית של החומר.

פער-האנרגיה הרחב יותר של ה-SiC‏ מעניק לו עוצמת שדה פריצה דיאלקטרי הגבוה יותר בסדר גודל אחד, עם שכבת סחיפה צרה יותר עבור אותו דירוג מתח בהשוואה להתקן Si‏. שכבת הסחיפה היא השכבה עם אילוח (Doping‏) מועט יותר בין שכבות P ו-N של דיודה קונבנציונלית, או שכבות המתכת ו-P של דיודת SiC Schottky. שכבת הסחיפה הצרה יותר כוללת התנגדות נמוכה יותר וביצועי הולכה חשמלית טובים יותר מגודל פיסת-סיליקון קטן יותר.

יתרון נוסף של SiC הוא המוליכות התרמית הטובה פי 3.5 בערך שלו, המשפרת את פיזור ההספק עבור אזור שבב נתון. טמפרטורת הפעולה המקסימלית של SiC היא כמעט כפולה מזו של Si. שימוש בגודל פיסת-סיליקון קטן יותר מקטין את הקיבוליות העצמית של ההתקן, והמטענים הנלווים נמוכים יותר עבור דירוג זרם ומתח מוגדר. מאפיינים אלה ומהירות רווית האלקטרונים הגבוהה יותר של ה-SiC מאפשרים מהירויות מיתוג גבוהות יותר עם הפסדים מופחתים.

מנקודת מבט של המבנה, במקום צומת P-N המקובלת, דיודת Schottky מוותרת על סוג ה-P ובמקום זאת משתמשת בשכבה דקה של מתכת (פלטינה, טונגסטן, זהב או מתכת אחרת) המודבקת לחומר מסוג N. הדבקה זו יוצרת צומת מתכת-מוליך-למחצה (M-S‏) הנקרא מחסום שוטקי (איור 1).

תמונה של הדבקה היוצרת צומת מתכת-מוליך-למחצה (M-S).איור 1: דיודות שוטקי מחליפות את המוליך-למחצה מסוג P של דיודה קונבנציונלית (למעלה) במתכת כדי ליצור צומת M-S (למטה). (מקור התמונה: DigiKey)

צומת M-S יוצר אזור מיחסור אלקטרונים צר יותר בתנאי ממתח קדומני ואחורני לעומת צומת P-N (איור 2). אזור המיחסור הצר יותר נותן לדיודה שוטקי יתרון מרכזי: מתח קדומני (F‏V‏) נמוך יותר לעומת דיודה קונבנציונלית. עם ממתח קדומני, דיודת שוטקי תתחיל בדרך כלל בהולכה בכמה מאות מילי-וולט לעומת 0.6 עד 0.7 וולט עבור צומת P-N. מאפיין זה הוא יתרון עבור יישומים בהספק נמוך כגון התקנים מוזני-סוללות.

תמונה של אזור המיחסור של דיודת שוטקי שהוא צר יותר בתנאי ממתח קדומני ואחורני כאחדאיור 2: אזור המיחסור של דיודת שוטקי הוא צר יותר בתנאי ממתח קדומני ואחורני כאחד, וכתוצאה מכך המתח הקדומני נמוך וההפסדים קטנים יותר. (מקור התמונה: DigiKey)

התקני שוטקי מוליכים רק באמצעות נשאי הרוב (אלקטרונים), כשהתוצאה היא מטען זניח המאוחסן בשכבת המיחסור של צומת הדיודה כאשר הרכיב הוא עם ממתח קדומני. זה מגביל את ההפסדים (ופיזור ההספק) כאשר הדיודה עוברת ממצב ממתח קדומני למצב ממתח אחורני. לעומת זאת, דיודות צומת P-N מוליכות דרך נשאי מיעוט ורוב, הגורם למטענים מאוחסנים גדולים יותר בשכבת המיחסור. התוצאה היא הפסדי מיתוג גבוהים יותר עבור התקני P-N, הגדלים בתדר גבוה יותר.

בסך הכל, דיודת שוטקי תצרוך פחות הספק ונוטה להיות יעילה יותר מבחינה תרמית בפיזור חום ביישומים בהספק גבוה לעומת התקן P-N. הפחתת הפיזור מאפשרת לדיודת שוטקי לעמוד בטמפרטורות גבוהות יותר עבור ביצועים חסונים יותר ואמינות טובה יותר ללא סיכון לבריחה תרמית.

יתרון נוסף של אזור המיחסור הצר של דיודת שוטקי הוא בכך שהיא מקנה לרכיב קיבוליות נמוכה יותר. יחד עם התנהגות "המיתוג הרך" של דיודות SiC, קיבוליות נמוכה זו מפחיתה משמעותית את ההפרעות האלקטרומגנטיות (EMI).

כיצד להפוך את דיודות SiC Schottky לאפילו טובות יותר

דיודות SiC Schottky ממשיכות להשתפר. לדוגמה, אזור המיחסור הצר של התקן SiC בן זמננו מכפיל את ההשפעה של הפגמים המתרחשים בעת ייצור ממשק M-S, וגורם לזרמי זליגה גבוהים כאשר הדיודה היא עם ממתח אחורני. יתר על כן, אזור המיחסור הצר מונע מדיודת SiC Schottky לעמוד במתחים הפוכים גבוהים (R‏V‏). דיודת שוטקי יכולה לעמוד ב-R‏V‏ של עשרות וולט, בעוד שצומת P-N יכול לעמוד במאות וולט.

פתרון אחד להתמודדות עם זרמי הזליגה הגבוהים של דיודת SiC הוא עיבוי שכבת הסחיפה והמצע של הדיודה. עם זאת, זה מגדיל את ההתנגדויות החשמלית והתרמית, ודוחף את F‏V‏ ואת טמפרטורת הצומת (J‏T‏ עבור זרם נתון. יתר על כן, ההתנגדות הגבוהה יותר של שכבת הסחיפה המעובה יכולה להשפיע על ביצועי זרמי נחשול.

Nexperia התמודדה עם אתגר זה עם דיודת ה-MPS שלה. מבנה ה-MPS של סדרת PSC‏ של Nexperia משתמש בשני סוגי דיודות, SiC Schottky והתקן P-N הממוקם במקביל. "בארות" עם אילוח (Doping‏)-P‏ מושתלות באזור הסחיפה של התקן שוטקי קונבנציונלי, ויוצרות מגע P‏-אוהמי עם מתכת באנודת השוטקי וצומת P-N‏ עם סחיפת SiC‏ עם אילוח קל או שכבת-epi‏ (איור 3‏).

תמונה של מבנה MPS המשתמשת בשני סוגי דיודותאיור 3: מבנה ה-MPS משתמש בשני סוגי דיודות, SiC Schottky והתקן P-N, הממוקמים במקביל. אזורים עם אילוח (Doping‏)-P מושתלים באזור הסחיפה כדי ליצור מגע P-אוהמי עם מתכת וצומת P-N עם סחיפת SiC או שכבת epi‏. (מקור התמונה: Nexperia)

תחת ממתח אחורני, הבארות עם אילוח-P מעודדות את עוצמת השדה המקסימלית לנוע כלפי מטה אל שכבת הסחיפה הכמעט נטולת-פגמים, הרחק ממחסום המתכת עם אי-השלמויות שלו, תוך הפחתת זרם הזליגה הכולל (איור 4).

תמונה של הוספת בארות עם אילוח-P לדיודת SiC Schottkyאיור 4: הוספת בארות עם אילוח-P לדיודת SiC Schottky מעבירה את האזור של עוצמת השדה המקסימלית תחת ממתח אחורני הרחק ממתכת האנודה. התוצאה היא זרמי זליגה נמוכים יותר. (מקור התמונה: Nexperia)

המיקום, השטח וריכוז האילוח-P של הבארות משפיעים על מאפייני הקצה ויוצרים פשרה בין מפל F‏V‏ מול זרמי זליגה ונחשול. התוצאה היא שהתקן MPS יכול לפעול במתח פריצה גבוה יותר לעומת דיודת SiC קונבנציונלית אך עם אותו זרם זליגה ועובי שכבת סחיפה.

השילוב ההיברידי של דיודת שוטקי (התקן אוניפולרי) ודיודת P-N (ביפולרית) קובע שצומת ה-P-N אינו מוליך בתנאים רגילים, והאפקט הוא כמעט ללא הפסדי התאוששות אחורנית. עם זאת, הסידור ההיברידי משפר את דירוג זרם הנחשול מכיוון שדיודת ה-P-N מוליכה כאשר מתרחשים אירועי זרם-יתר טרנזיינטיים, ומגנה למעשה על הרכיב ההיברידי.

מכיוון שדיודות ה-MPS מתנהגות כמו דיודות שוטקי בתנאים נומינליים, ההתקנים מציגים התנהגות מיתוג קיבולית טהורה, וכתוצאה מכך מטען התאוששות-אחורנית (RR‏Q‏) נמוך יותר לעומת דיודת התאוששות מהירה Si עם אותו דירוג חשמלי. RR‏Q‏, שהוא המטען המאוחסן בדיודה שחייב להתחבר-מחדש לפני שהדיודה תוכל לחסום מתח אחורני, הוא אחד מתורמי ההפסדים העיקריים של דיודת Si.

איור 5 משווה את התנהגות התאוששות אחורנית של דיודת Si בהשוואה לדיודת SiC‏ (PSC1065HJ‏ של Nexperia‏). דיודת SiC מציגה מיתוג קיבולי טהור, וכתוצאה מכך RR‏Q‏ מינימלי. ה-RR‏Q‏ שווה ערך לשטח הגרף מתחת לציר 0‏ = F‏I‏

תמונה של התנהגות התאוששות אחורנית של דיודת Si (משמאל) בהשוואה לדיודה SiC (מימין) (לחצו להגדלה)איור 5: מוצגת התנהגות ההתאוששות אחורנית של דיודת Si (משמאל) בהשוואה לדיודה SiC (מימין). דיודת SiC מציגה מיתוג קיבולי טהור, וכתוצאה מכך RR‏Q‏ מינימלי. (מקור התמונה: Nexperia)

הפחתת עובי שכבת הסחיפה במהלך הייצור

מכיוון שדיודות MPS הפחיתו משמעותית את זרמי הזליגה בהשוואה לדיודות SiC קונבנציונליות, ניתן להשיג יתרון מהפחתת עובי שכבת הסחיפה. כפי שצוין לעיל, עבור דיודות SiC קונבנציונליות, שכבת הסחיפה עבה יותר מזו המשמשת עבור דיודות Si כדי לשמור על זרמי זליגה נמוכים.

במהלך הייצור, מצע ה-SiC הלא-מעובד הוא עם אילוח-N‏, ושכבות אפיטקסליות SiC 'עוברות גידול' כדי ליצור את אזור הסחיפה. עובי המצע יכול להגיע עד 500 מיקרו-מטר (µm‏), המגדיל את ההתנגדות החשמלית והתרמית לנתיב הזרם ולזרימת החום מהצומת למתכת בצד האחורי. התוצאה היא מפל F‏V‏ ו-J‏T‏ מוגדלים עבור זרם נתון.

הפתרון להורדת ההתנגדות החשמלית והתרמית של שכבת הסחיפה הוא הפחתת עובי החלק התחתון של המצע על ידי כרסום במהלך תהליך הייצור (איור 6). התוצאה היא דיודת MPS, אשר, עבור תנאי פעולה נתונים תציג טמפרטורת פעולה נמוכה יותר, אמינות גבוהה יותר, יכולת זרם נחשול גבוהה יותר ומפל F‏V‏ נמוך יותר לעומת דיודת SiC דומה.

תמונה של הפחתת עובי החלק התחתון של המצעאיור 6: הפחתת עובי החלק התחתון של המצע (מימין) תוצאתה היא דיודת MPS עם טמפרטורת פעולה נמוכה יותר, אמינות גבוהה יותר, יכולת זרם נחשול גבוהה יותר ומפל F‏V‏ נמוך יותר לעומת דיודת SiC דומה. (מקור התמונה: Nexperia)

אפשרויות מסחריות

Nexperia מציעה מגוון של דיודות MPS עבור יישומים מגוונים כמו תשתית טעינת סוללות, ספקי כוח לשרתים וטלקום, ספקי כוח אל פסק ואינוורטרים PV.

ה-PSC0665HJ‏ (איור 7) הוא דיודת MPS SiC Schottky הנתונה במארז סגור להרכבה משטחית DPAK R2P‏ (TO-252-2‏). ההתנגדות התרמית מהצומת למארז ((th(j-c‏R‏) היא (K/W‏) Kelvin/watt‏ 2.7‏. סה"כ פיזור ההספק (tot‏P‏) (C‏°‏25‏+ > c‏T‏) הוא 115 וואט. הדיודה מציעה התנהגות מיתוג כיבוי והתאוששות מאפס בלתי-תלויים בטמפרטורה, בשילוב עם ספרת-איכות (FOM‏) טובה (FOM‏ = סה"כ מטען קיבולי (F‏V‏ x‏ C‏Q‏)). הרכיב מציע הגנת זרם נחשול סולידית, המסומנת על ידי זרם שיא קדומני גבוה שאינו חוזר על עצמו (FSM‏I‏).

תמונה של דיודת SiC Schottky‏ MPS‏ PSC0665HJ‏ של Nexperia‏איור 7: ה-PSC0665HJ הוא דיודת MPS SiC Schottky הנתונה במארז סגור DPAK R2P‏ (TO-252-2‏). (מקור התמונה: Nexperia‏)

C‏Q‏ עבור ה-PSC0665HJ‏ הוא 14 ננו-קולומב (nC‏) (ב-V‏ 400‏=R‏V‏; (A/µs‏) מיקרו-שניות/A‏ 200‏ = dt‏/F‏dI‏; זרם קדומני (F‏I‏) ≤ A‏ 6‏; (C‏°‏25‏+ = J‏T‏) ו-V‏ 1.5‏ = F‏V‏ (ב-A‏ 6‏ = F‏I‏); C‏°‏25‏+ = J‏T‏). זה נותן FOM עבור הדיודה של nC‏ 14‏ x‏ V‏ 1.5‏ = 21‏ ננו-ג'אול (nJ).

שיא מתח אחורני רפטיטיבי מקסימלי (RRM‏V‏) הוא V‏ 650‏. זרם אחורני (R‏I‏) הוא µA‏ 1‏ ב-C‏°‏25‏+, עם R‏V‏ של V‏ 650‏. זרם קדומני מקסימלי (F‏I‏) הוא A‏ 6‏, ו-FSM‏I‏ מקסימלי הוא A‏ 300‏ (µs‏ 10‏ = p‏t‏; גל ריבועי; C‏°‏25‏+ = c‏T‏) או A‏ 36‏ (ms‏ 10‏ = p‏t‏; חצי גל סינוס; C‏°‏25‏+ = c‏T‏).

ה-PSC2065LQ‏ הוא היצע נוסף במשפחת דיודות MPS SiC Schottky של Nexperia. התקן זה מגיע נתון במארז פלסטיק סגור להספק בתצורת חור-עובר TO247 R2P‏ (TO-247-2‏). ההתנגדות התרמית מהצומת למארז ( (th(j-c‏R‏) היא W‏ 1‏. tot‏P‏ (C‏°‏25‏+ > c‏T‏ הוא W‏ 115‏.

ה-C‏Q‏ עבור ה-PSC2065LQ‏ הוא nC‏ 41‏ (ב-V‏ 400‏=R‏V‏; (A/µs‏) 200‏ = dt‏/F‏dI‏; A‏ 20‏ > F‏I‏; C‏°‏25‏+ = j‏T‏) ו-V‏ 1.5‏ = F‏V‏ (ב-A‏ 20‏ = F‏I‏; C‏°‏25‏+ = j‏T‏). זה נותן FOM עבור הדיודה של nC‏ 41‏ x‏ V‏ 1.5‏ = nJ‏ 61.5‏.

ה-RRM‏V‏ הוא V‏ 650‏. R‏I‏ הוא µA‏ 1‏ ב-C‏°‏25‏+, עם R‏V‏ של V‏ 650‏. ה-F‏I‏ המקסימלי הוא A‏ 10‏, ו-הFSM‏I‏ המקסימלי הוא A‏ 440‏ (µs‏ 10‏ = p‏t‏; גל ריבועי; C‏°‏25‏+ = c‏T‏) או A‏ 52‏ (ms‏ 10‏ = p‏t‏; חצי גל סינוס; C‏°‏25‏+ = c‏T‏).

סיכום

בהשוואה ל-Si, דיודות SiC Schottky מעניקות יתרונות טכניים מעולים, כגון ביצועי מיתוג טובים יותר משמעותית ותדרי מיתוג גבוהים יותר, מבלי להקריב את הספק היציאה או את סה"כ נצילות המערכת. שיפורי ביצועים נוספים עבור דיודות SiC Schottky הושגו עם בניית ה-MPS ההיברידית של Nexperia המנצלת דיודת SiC Schottky במקביל לדיודה P-N. התוצאה היא התקן שבתנאי פעולה נתונים יציג טמפרטורת פעולה נמוכה יותר, אמינות גבוהה יותר, יכולת זרם נחשול גבוהה יותר, ומפל F‏V‏ נמוך יותר לעומת דיודת SiC דומה.

DigiKey logo

מיאון אחריות: דעות, אמונות ונקודות מבט המובעות על ידי מחברים שונים ו/או משתתפי פורום באתר אינטרנט זה לא בהכרח משקפות את הדעות, האמונות ונקודות המבט של חברת DigiKey או את המדיניות הרשמית של חברת DigiKey.

אודות כותב זה

Image of Steven Keeping

Steven Keeping

Steven Keeping הוא מחבר תורם בחברת DigiKey. הוא קיבל תואר HNC בפיזיקה יישומית מאוניברסיטת Bournemouth‏, .U.K, ותואר BEng‏ (.Hons) מאוניברסיטת Brighton‏, .U.K, לפני שהתחיל קריירה של שבע שנים כמהנדס ייצור אלקטרוניקה אצל Eurotherm ו- BOC. בשני העשורים האחרונים הוא עבד כעיתונאי, עורך ומפרסם בנושאי טכנולוגיה. סטיבן עבר לסידני בשנת 2001 כדי שיוכל לרכוב על אופני כביש ושטח לאורך כל השנה, ולעבוד כעורך של Australian Electronics Engineering. סטיבן הפך לעיתונאי עצמאי בשנת 2006 והתמחויותיו כוללות RF, נורות LED וניהול הספקת-כוח.

אודות מוציא לאור זה

DigiKey's North American Editors