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2018.05.10 SiC 파워 디바이스

SiC-SBD란? - 특징과 Si 다이오드와의 비교

SiC 쇼트키 배리어 다이오드란?

SiC 파워 디바이스의 개요에 이어, 지금부터는 구체적인 디바이스에 대해 설명하고자 합니다.

SiC 쇼트키 배리어 다이오드와 Si 쇼트키 배리어 다이오드

SiC 쇼트키 배리어 다이오드 (이하, SBD)의 구조부터 설명하겠습니다. 하기 그림과 같이 반도체인 SiC에 쇼트키 배리어를 얻기 위해 금속이 접합 (쇼트키 접합)되어 있습니다. 구조는 Si 쇼트키 배리어 다이오드와 기본적으로 동일하며, 포인트라고 할 수 있는 특징 역시, 고신뢰성으로 동일합니다.

SiC-SBD의 특징으로는 우수한 고속성을 지님과 동시에 고내압을 실현한 점입니다. Si-SBD의 내압을 높이기 위해서는 그림의 n-형층을 두껍게 하여, 캐리어 농도를 낮추면 되는데, 이 때 저항치가 높아지고 VF도 높아지는 등 손실이 커지게 됩니다. 따라서, Si-SBD의 내압은 200V가 한계입니다. 반면에 SiC는 실리콘의 10배에 해당하는 절연 파괴 전계를 지니므로, 실용적인 특성을 유지함과 동시에 고내압을 실현할 수 있습니다.

로옴은 650V와 1200V의 SiC-SBD를 양산하고 있으며, 1700V 제품은 개발중입니다.

SiC_2-1_sicsky

SiC-SBD와 Si-PN 접합 다이오드

Si 다이오드에서 SBD 이상의 내압에 대응하는 것은 PN 접합 다이오드 (PND로 표기)입니다. 하기 그림은 Si-PN 다이오드의 구조입니다. SBD에서는 전자만 이동하여 전류가 흐르지만, PN 접합 다이오드에서는 전자와 정공 (홀)에 의해 전류가 흐릅니다. n-층에 소수 캐리어의 정공이 축적됨으로써, 저항치가 낮아집니다. 이에 따라 고내압과 저저항을 동시에 실현하였지만, Turn-off 속도는 늦어집니다.

PN 접합 다이오드에서 고속성을 높인 것이 FRD (패스트 리커버리 다이오드)이며, 이 역시 trr (역회복 시간) 특성 등은 SBD보다 열악합니다. 따라서, 고내압 Si PN 접합 다이오드에서는 trr 손실이 중요한 검토 사항이며, 스위칭 전원에서 고속 스위칭 주파수에 대응할 수 없다는 과제가 있습니다.

SiC_2-1_sicsky

위의 우측 그림은 Si-SBD, PND, FRD와 SiC-SBD의 내압 범위입니다. SiC-SBD는 PND / FRD의 내압 범위의 대부분을 커버하고 있습니다. SiC-SBD는 고속성과 고내압을 동시에 실현함으로써, PND / FRD 대비 Err (리커버리 손실)을 대폭 삭감하였으며, 스위칭 주파수도 높으므로 소형 트랜스 및 콘덴서 사용이 가능하여, 기기의 소형화에 기여합니다.

하기는 1200V 내압 SiC-SBD의 데이터시트 일부입니다.

SiC_2-1_sicsky

키 포인트

・SiC-SBD의 특징은 우수한 고속성과 고내압을 동시에 실현한 것.

・고내압 Si-PN 다이오드 대비, 역회복 시간 등의 고속성이 우수하여, 손실 저감과 소형화 가능.

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