Migliorare l'efficienza dei dispositivi SiC grazie ai diodi Merged PIN Schottky

Rispetto al silicio (Si), il carburo di silicio (SiC) presenta vantaggi che lo rendono particolarmente adatto per i diodi Schottky in applicazioni quali caricabatterie veloci, convertitori di batterie fotovoltaiche (PV) e inverter di trazione. Tuttavia, ai progettisti si chiede di migliorare ulteriormente l'efficienza.

Due modi per farlo con i dispositivi SiC sono riducendo la corrente di dispersione e le perdite dovute alla resistenza termica. Sebbene il raggiungimento di questi obiettivi sia stato impegnativo, i diodi Merged PIN Schottky (MPS) offrono una soluzione. I dispositivi MPS migliorano anche le prestazioni di sovracorrenti transitorie dei diodi Schottky.

Questo articolo illustra i vantaggi dei diodi Schottky SiC rispetto ai diodi convenzionali in applicazioni ad alta potenza, indicando dove è possibile migliorare ulteriormente le prestazioni. Presenta quindi alcuni esempi di diodi MPS di Nexperia, ne riassume le caratteristiche principali e spiega come i progettisti possono avvantaggiarsi della loro applicazione.

I vantaggi dei diodi Schottky SiC

Il vantaggio del diodo Schottky SiC rispetto a quello tradizionale Si a giunzione P-N deriva dalle proprietà del materiale semiconduttore sottostante e dal suo design. Il SiC ha un bandgap più ampio rispetto al Si. Il bandgap è l'energia necessaria in un semiconduttore per spostare gli elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione ed è un fattore cruciale nel determinare la conducibilità elettrica del materiale.

Il bandgap più ampio del SiC gli conferisce un'intensità del campo di perforazione del dielettrico di un ordine di grandezza superiore con uno strato di deriva più sottile a parità di tensione nominale rispetto a un dispositivo SiC. Lo strato di deriva è quello leggermente drogato tra gli strati P e N di un diodo convenzionale o gli strati metallici e P di un diodo Schottky SiC. Lo strato di deriva più sottile è caratterizzato da una resistività più bassa e da migliori prestazioni di conduzione elettrica con un die di dimensioni più piccole.

Un altro vantaggio del SiC è la sua conducibilità termica di circa 3,5 volte migliore, che migliora la dissipazione di potenza per una data area del chip. La temperatura massima di funzionamento del SiC è quasi doppia rispetto a quella del Si. L'utilizzo di un die di dimensioni più piccole riduce la capacità propria del dispositivo e le cariche associate sono inferiori per determinati valori nominali di corrente e tensione. Queste caratteristiche e la maggiore velocità di saturazione degli elettroni del SiC consentono velocità di commutazione più elevate con perdite ridotte.

Dal punto di vista costruttivo, anziché la giunzione P-N convenzionale, il diodo Schottky rinuncia al tipo P e utilizza invece un sottile strato metallico (platino, tungsteno, oro o altro) legato al materiale di tipo N. Questo legame forma una giunzione metallo-semiconduttore (M-S) chiamata barriera di Schottky (Figura 1).

Figura 1: I diodi Schottky sostituiscono il semiconduttore di tipo P di un diodo convenzionale (in alto) con un metallo per formare una giunzione M-S (in basso). (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

La giunzione M-S genera una regione di carica spaziale degli elettroni più stretta in condizioni di polarizzazione diretta e inversa rispetto alla giunzione P-N (Figura 2). La regione più stretta conferisce al diodo Schottky un vantaggio fondamentale: una tensione diretta (V_F) più bassa rispetto a un diodo convenzionale. Quando ha polarizzazione diretta, il diodo Schottky inizia la conduzione a qualche centinaio di millivolt, rispetto agli 0,6-0,7 V di una giunzione P-N. Questa caratteristica è vantaggiosa per le applicazioni a basso consumo, come i dispositivi alimentati a batteria.

Figura 2: La regione di carica spaziale del diodo Schottky è più stretta sia in condizioni di polarizzazione diretta che inversa, con conseguente bassa tensione diretta e perdite ridotte. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

I dispositivi Schottky conducono solo attraverso i portatori maggioritari (elettroni), il che comporta una carica trascurabile immagazzinata nella regione di carica spaziale della giunzione del diodo quando il componente ha polarizzazione diretta. Questo limita le perdite (e la dissipazione di potenza) quando il diodo passa dalla polarizzazione diretta a quella inversa. Per contro, i diodi a giunzione P-N conducono attraverso portatori minoritari e maggioritari, il che comporta maggiori cariche immagazzinate nella regione di carica spaziale. Il risultato è un aumento delle perdite di commutazione per il dispositivo P-N, che si moltiplicano con l'aumentare della frequenza.

Complessivamente, un diodo Schottky consuma meno energia e tende ad avere un'efficienza termica migliore per dissipare il calore nelle applicazioni ad alta potenza rispetto a un dispositivo P-N. La riduzione della dissipazione consente al diodo Schottky di resistere a temperature più elevate, per prestazioni più robuste e una maggiore affidabilità, senza il rischio di una fuga termica.

Un ulteriore vantaggio della stretta regione di carica spaziale del diodo Schottky è che il componente presenta una capacità inferiore. Insieme al comportamento "soft-switching" dei diodi SiC, questa bassa capacità riduce significativamente le interferenze elettromagnetiche (EMI).

Come rendere ancora migliori i diodi Schottky SiC

I diodi Schottky SiC continuano a migliorare. Ad esempio, la stretta regione di carica spaziale di un moderno dispositivo SiC moltiplica l'impatto delle imperfezioni che si verificano durante la produzione dell'interfaccia M-S, causando elevate correnti di dispersione quando il diodo ha polarizzazione inversa. Inoltre, la stretta regione di carica spaziale impedisce al diodo Schottky SiC di sopportare elevate tensioni inverse (V_R). Un diodo Schottky può sopportare una V_R di decine di volt, mentre una giunzione P-N può sopportare centinaia di volt.

Una soluzione per affrontare le elevate correnti di dispersione del diodo SiC consiste nell'ispessire lo strato di deriva e il substrato del diodo. Tuttavia, questo aumenta la resistenza elettrica e termica, facendo aumentare la V_F e la temperatura di giunzione (T_J) per una data corrente. Inoltre, la maggiore resistenza dello strato di deriva ispessito può influire sulle prestazioni di sovracorrenti transitorie.

Nexperia ha affrontato questa sfida con il diodo MPS. La struttura MPS della serie PSC di Nexperia utilizza due tipi di diodi, uno Schottky SiC e un dispositivo P-N posizionato in parallelo. I "pozzetti" drogati con P sono impiantati nella zona di deriva di un dispositivo Schottky convenzionale e formano un contatto P-ohmico con il metallo in corrispondenza dell'anodo Schottky e una giunzione P-N con la deriva di SiC leggermente drogata o con lo strato epitassiale (Figura 3).

Figura 3: La struttura MPS utilizza due tipi di diodi, uno Schottky SiC e un dispositivo P-N, posizionati in parallelo. Le aree drogate con P sono impiantate nella zona di deriva per formare un contatto P-ohmico con il metallo e una giunzione P-N con la deriva di SiC o lo strato epitassiale. (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

In condizioni di polarizzazione inversa, i pozzetti drogati con P incoraggiano la massima intensità di campo a spostarsi verso il basso nello strato di deriva quasi privo di difetti, lontano dalla barriera metallica con le sue imperfezioni, riducendo la corrente di dispersione complessiva (Figura 4).

Figura 4: L'aggiunta di pozzetti drogati con P a un diodo Schottky SiC sposta l'area di massima intensità di campo sotto la polarizzazione inversa lontano dal metallo anodico. Il risultato è una minore corrente di dispersione. (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

Il posizionamento, l'area e la concentrazione di drogaggio dei pozzetti drogati con P influenzano le caratteristiche finali e creano un compromesso tra la caduta di V_F e le correnti di dispersione e le sovracorrenti transitorie. Il risultato è che un dispositivo MPS può funzionare con una tensione di rottura più elevata rispetto a un diodo SiC convenzionale, ma con la stessa corrente di dispersione e lo stesso spessore dello strato di deriva.

La combinazione ibrida del diodo Schottky (un dispositivo unipolare) e del diodo P-N (bipolare) fa sì che la giunzione P-N non conduca in condizioni normali, con perdite di recupero inverso quasi nulle. Tuttavia, la disposizione ibrida migliora la corrente nominale di picco, perché il diodo P-N conduce quando si verificano eventi di sovracorrente transitoria, proteggendo efficacemente il componente ibrido.

Poiché in condizioni nominali i diodi MPS si comportano come diodi Schottky, i dispositivi presentano un comportamento di commutazione puramente capacitivo, che si traduce in una carica di recupero inverso (Q_RR) inferiore a quella di un diodo a recupero rapido Si a parità di potenza elettrica. Il valore di Q_RR, ossia la carica immagazzinata nel diodo che deve ricombinarsi prima che il diodo possa bloccare la tensione inversa, è uno dei principali fattori di perdita di un diodo Si.

La Figura 5 confronta il comportamento di recupero inverso di un diodo Si rispetto a un diodo SiC (PSC1065HJ di Nexperia). Il diodo SiC ha una commutazione puramente capacitiva, con conseguente Q_RR minima. La Q_RR è equivalente all'area del grafico sotto l'asse I_F = 0.

Figura 5: Il comportamento di recupero inverso di un diodo Si (a sinistra) rispetto a un diodo SiC (a destra). Il diodo SiC ha una commutazione puramente capacitiva, con conseguente Q_RR minima. (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

Riduzione dello spessore dello strato di deriva durante la produzione

Poiché i diodi MPS presentano correnti di dispersione significativamente ridotte rispetto ai diodi SiC convenzionali, è vantaggioso ridurre lo spessore dello strato di deriva. Come già detto, per i diodi SiC convenzionali, lo strato di deriva è più spesso di quello utilizzato per i diodi Si al fine di mantenere basse le correnti di dispersione.

Durante la produzione, il substrato di SiC non lavorato viene drogato con N e gli strati epitassiali di SiC vengono "aumentati" per formare la regione di deriva. Il substrato può avere uno spessore fino a 500 µm, che aumenta la resistenza elettrica e termica al percorso della corrente e del flusso di calore dalla giunzione al metallo posteriore. Il risultato è un aumento della caduta di V_F e di T_J per una data corrente.

Una soluzione per ridurre la resistenza elettrica e termica dello strato di deriva consiste nel ridurre lo spessore della parte inferiore del substrato mediante rettifica durante il processo di produzione (Figura 6). Il risultato è un diodo MPS che, in determinate condizioni operative, presenta una temperatura di funzionamento inferiore, una maggiore affidabilità, una maggiore capacità di sovracorrente transitoria e una caduta di V_F inferiore rispetto a un diodo SiC paragonabile.

Figura 6: Riducendo lo spessore della parte inferiore del substrato (a destra) si ottiene un diodo MPS con una temperatura di funzionamento inferiore, una maggiore affidabilità, una maggiore capacità di sovracorrente transitoria e una caduta di V_F inferiore rispetto a un diodo SiC paragonabile. (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

Opzioni commerciali

Nexperia offre una gamma di diodi MPS per applicazioni diverse come infrastrutture di ricarica delle batterie, alimentatori per server e telecomunicazioni, gruppi di continuità e inverter fotovoltaici.

Il modello PSC0665HJ (Figura 7) è un diodo MPS Schottky SiC incapsulato in un contenitore a montaggio superficiale DPAK R2P (TO-252-2). La resistenza termica dalla giunzione all'involucro (R_th(j-c)) è di 2,7 K/W. La dissipazione di potenza totale (P_tot) (T_c ≤+25 °C) è di 115 W. Il diodo offre un comportamento di commutazione capacitivo di spegnimento e recupero zero indipendente dalla temperatura, combinato con una buona cifra di merito (FOM = carica capacitiva totale (Q_C) x V_F). Il componente offre una solida protezione contro le sovracorrenti transitorie, indicata da un elevato picco di corrente diretta non ripetitivo (I_FSM).

Figura 7: PSC0665HJ è un diodo MPS Schottky SiC incapsulato in un contenitore DPAK R2P (TO-252-2). (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

La Q_C di PSC0665HJ è di 14 nC (con V_R = 400 V; dI_F/dt = 200 A/µs; corrente diretta (I_F) ≤6 A; T_J = +25 °C) e V_F = 1,5 V (a I_F = 6 A; T_J = +25 °C). Da questo risulta una FOM per il diodo di 14 nC x 1,5 V = 21 nJ.

La tensione inversa ripetitiva di picco massima (V_RRM) è di 650 V. La corrente inversa (I_R) è di 1 µA a +25 °C, con una V_R di 650 V. La massima corrente diretta (I_F) è di 6 A e la massima I_FSM è di 300 A (t_p = 10 µs; onda quadra; T_c = +25 °C) o 36 A (t_p = 10 ms; onda semisinusoidale; T_c = +25 °C).

PSC2065LQ è un'altra scelta della famiglia di diodi MPS Schottky SiC di Nexperia. Questo dispositivo è incapsulato in un contenitore in plastica a foro passante TO247 R2P (TO-247-2). La resistenza termica dalla giunzione all'involucro (R_th(j-c)) è pari a 1 W. P_tot (T_c ≤+25 °C) è 115 W.

La Q_C di PSC2065LQ è di 41 nC (a V_R = 400 V; dI_F/dt = 200 A/µs; I_F ≤20 A; T_j = +25 °C) e V_F = 1,5 V (a I_F = 20 A; T_J = +25 °C). Da questo risulta una FOM di 41 nC x 1,5 V = 61,5 nJ.

La V_RRM è di 650 V. La I_R è di 1 µA a +25 °C, con una V_R di 650 V. La I_F massima è di 10 A e la I_FSM massima è di 440 A (t_p = 10 µs; onda quadra; T_c = +25 °C) o 52 A (t_p = 10 ms; onda semisinusoidale; T_c = +25 °C).

Conclusione

Rispetto al Si, i diodi Schottky SiC offrono vantaggi tecnici superiori, come prestazioni di commutazione significativamente migliori e frequenze di commutazione più elevate, senza sacrificare la potenza di uscita o l'efficienza complessiva del sistema. Maggiori prestazioni per i diodi Schottky SiC derivano dalla costruzione ibrida MPS di Nexperia che sfrutta un diodo Schottky SiC in parallelo con un diodo P-N. Il risultato è un dispositivo che, in determinate condizioni operative, presenta una temperatura di funzionamento inferiore, una maggiore affidabilità, una maggiore capacità di sovracorrente transitoria e una caduta di V_F inferiore rispetto a un diodo SiC paragonabile.