3.2 碳化硅PiN二极管

由于碳化硅可以承受更大的电场强度，所以相同击穿电压下，碳化硅漂移区的宽度远小于相应硅器件的宽度。这意味着碳化硅PiN整流器中的存储电荷将比硅器件小得多，所以可以改善开关特性。然而，由于碳化硅带隙宽度较大，因此开关特性改善的同时，伴随着通态压降的显著增加。

碳化硅PiN整流器的物理性质与前文的描述相同。然而，碳化硅器件的参数不同于硅器件的参数。这对结压降具有强烈的影响。如前文所述，结压降由下式给出：

虽然注入的载流子浓度 n （+ d ）和 n （ -d ）可以假定为与硅PiN整流器中的载流子浓度相似，但由于碳化硅具有较大的带隙，所以在300℃时，如果硅的本征载流子浓度为1.4×10 ¹⁰ cm ^-3 ，而4H-SiC的本征载流子浓度仅为6.7×10 ^-11 cm ^-3 。如果假定漂移区中的自由载流子浓度为1×10 ¹⁷ cm ^-3 ，与硅二极管的结压降为0.82V相比，4H-SiC二极管的结压降为3.24V。因此，4H-SiC PiN整流器中的功耗是硅器件中的4倍。较大的通态功耗抵消了开关特性的改善。因此，最好研发耐压等级低于5kV的碳化硅肖特基二极管和耐压等级超过10kV的碳化硅PiN二极管的。

模拟示例

以耐压10kV的4H-SiC PiN整流器为例来说明碳化硅PiN整流器内部存储电荷的减小。该器件漂移区的厚度为80μm，而硅器件需要1200μm。同时，漂移区的掺杂浓度相对较高，为2×10 ¹⁵ cm ^-3 。如图3.13所示，由于漂移区厚度较小，即使对于100ns非常小的寿命（ τ _p0 和 τ _n0 ）值，也可以观察到漂移区具有良好的电导调制效应。然而，当典型的寿命（ τ _p0 和 τ _n0 ）值为10ns时，4H-SiC漂移区的电导调制效应差。为了确保二极管具有良好的特性需要具备提高4H-SiC少子寿命的方法。图3.13是正向偏压为4V时的载流子分布情况，如前面所讨论的一样，4H-SiC的结压降较高。因此，开关特性的改善必然以较大的通态功耗为代价。图3.14为10kV 4H-SiC PiN整流器的正向导通特性。