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Trench肖特基整流器:功能、优点和用例

时间:2019-03-12 作者:安世半导体应用市场营销经理Reza Behtash博士 阅读:
肖特基二极管以德国物理学家华特·汉斯·肖特基命名,主要由金属-半导体接面组成。肖特基二极管的电气性能受到正向压降、泄漏电流和反向阻断电压之间的物理权衡的影响。Trench肖特基二极管可被视为肖特基二极管的进一步发展,本文将讨论Trench肖特基整流器的功能和优点。
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肖特基二极管以德国物理学家华特·汉斯·肖特基命名,主要由金属-半导体接面组成。得益于较低的正向压降和较高的开关速度,肖特基二极管广泛用于多种应用,例如在功率转换电路中作为升压二极管。当然,肖特基二极管的电气性能受到正向压降、泄漏电流和反向阻断电压之间的物理权衡的影响。Trench肖特基二极管可被视为肖特基二极管的进一步发展,拓宽了平面肖特基二极管的限制。本文将讨论Trench肖特基整流器的功能和优点。x6pEETC-电子工程专辑

理想的整流器通常具有低正向压降、高反向阻断电压、零泄漏电流和低寄生电容,从而帮助实现高开关速度。考虑正向压降时,有两个主要因素:结点处的压降(PN整流器为PN结,肖特基整流器为金属-半导体结)以及漂移区的压降。虽然PN结的正向压降在本质上由内置电压决定,因而主要由所选半导体决定,但肖特基势垒整流器中金属-半导体接面的正向压降可通过选择肖特基金属来修改,而肖特基势垒就是半导体的金属功函数和电子亲合能之差。通过使用具有低金属功函数的肖特基金属,可最大限度减少金属半导体接面的压降。但是,结点处的正向压降和肖特基整流器的泄漏电流之间存在权衡关系,因为泄漏电流的级别也由肖特基势垒和金属半导体接面的电场决定。除了该权衡,为实现高反向阻断电压,当漂移区的厚度进一步增加时,结点处低压降的优势可能会消失。因此,肖特基整流器的反向阻断电压历来限于200V以下。x6pEETC-电子工程专辑

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图1:平面肖特基整流器(左)和反方向Trench肖特基整流器(右)中的等势线。x6pEETC-电子工程专辑

鉴于该解释,有人可能会问,不管对低泄漏电流和高反向阻断电压的要求,该如何保持肖特基整流器的主要优势——即金属半导体接面的低压降?在这里,Trench整流器被证明非常有用。x6pEETC-电子工程专辑

Trench肖特基整流器背后的概念被称为“RESURF”(降低表面电场(reduced surface field))。RESURF的效应如图1所示。在平面肖特基整流器中,等势线堆积在上电极附近,导致表面附近的电场较高。因此,随着反向电压增加,泄漏电流显著增加,并且当表面附近的电场超出临界值时,会发生早期击穿现象。通过将沟道蚀刻到硅并在其中填满多晶硅(通过薄介质以电子方式与漂移区分离),沟道充当半导体中的一种场板,在反方向上耗尽漂移区,沿漂移区呈现平面电场分布。因此,沟道概念可缓和表面附近的电场,与具有相同外延结构的平面器件相比,可产生更高的击穿电压,从而实现更低的泄漏电流。x6pEETC-电子工程专辑

安世半导体开发并推出了电压范围介于45-100 V之间的一系列Trench肖特基整流器(PMEG*T系列)。这些器件可在正向压降Vf和泄漏电流IR之间实现适宜的权衡。典型的60V产品的Vf-IR权衡如图2所示。在该图中,根据125°C条件下最大正向电流时的正向压降,绘制了最大反向电压时的泄漏电流。为进行比较,该图还绘制了另外两个制造商的一些Trench和平面肖特基整流器。对于给定的正向压降,安世半导体产品显示出最低的泄漏电流。x6pEETC-电子工程专辑
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图2:125°C条件下,最大反向电压和最大正向电流时的IR-Vf权衡。x6pEETC-电子工程专辑

与具有可比正向压降的同等平面肖特基整流器相比,Trench肖特基整流器的泄漏电流较低,这表示Trench器件的安全工作区域更宽。因此,在必须耐受较高环境温度的应用中,如汽车领域,Trench肖特基整流器是合适的选择,因为它们更加稳健,可防止热失控(当整流器泄漏电流造成的耗散功率增加快于通过系统热阻的散热时发生的不稳定)。x6pEETC-电子工程专辑

Trench肖特基整流器的等效电路图如图3所示。除了肖特基接触提供的普通寄生电容,沟道结构中的电极和薄介质会产生第二个寄生电容。这意味着,在每单位面积上,Trench肖特基整流器的总寄生电容比平面肖特基整流器高。对于每个特定应用,必须考虑这一点。在设计中,如果总损耗主要来自开关损耗,则使用平面Schottky整流器可能更好,因为它们的寄生电容较低,尽管它们的泄漏电流较高或正向压降较高。而对于正向压降或泄漏电流是总损耗主导因素的应用,应该使用Trench整流器。x6pEETC-电子工程专辑
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图3:Trench肖特基整流器的等效电路图。电路元件在器件横截面中突出显示。x6pEETC-电子工程专辑

该等效电路图还显示了以反向恢复测量为特点的器件开关行为。进行此类测量的方式是正向偏置整流器,然后将器件切换到反向状态。由于器件中存储的电荷(在等效电路中表示为寄生电容)必须在二极管阻断之前先去除,因此便发生了所谓的整流器反向恢复电流。Trench肖特基整流器及具有可比芯片尺寸的平面肖特基整流器的斜坡反向恢复测量如图4所示。在该测量中,电流以100A/µs的速率下降。图表的放大区域显示,与平面整流器相比,Trench整流器的反向恢复电流更大、反向恢复时间更长,这得益于其较高的寄生电容(如图3所示)。斜坡反向恢复测量还表明,Trench整流器产生的振铃往往比平面器件衰变得更快。同样,在Trench整流器的等效电路图中可以找到其中的一个原因。电路中的额外RC元件有助于抑制产生的振铃。因此,在对EMC敏感的应用中,使用Trench整流器可能比使用平面整流器更加明智。x6pEETC-电子工程专辑

总之,从应用的角度来看,可以得出以下结论:如果正向压降和泄漏电流之间需要更好的权衡,则Trench整流器是正确选择,前提是应用能够耐受较高的寄生电容。同时,在器件开关期间,等效电路中的额外RC元件有助于抑制潜在振铃,因此在对EMC敏感的应用中,Trench整流器是首选。在环境温度升高的高功率密度应用中,也应该选择Trench整流器,因为它们更加稳健,可避免热失控造成的影响。x6pEETC-电子工程专辑

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图4:Trench和平面整流器上的斜坡反向恢复测量。100A/µs下降速率。x6pEETC-电子工程专辑

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