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2018.05.10 SiC 파워 디바이스

SiC-SBD란? – Si-PND와의 역회복 특성 비교

SiC 쇼트키 배리어 다이오드란?

SiC-SBD와 Si-PND의 특징 비교에 이어, 이번에는 SiC-SBD와 Si-PND의 역회복 특성을 비교해보겠습니다. 역회복 특성은 다이오드, 특히 고속 타입의 다이오드에서 기본적으로 중요한 파라미터이므로, trr의 수치 비교뿐만 아니라, 그 파형 및 온도 특성 등을 잘 이해하면, 다이오드 사용 시 많은 도움이 됩니다.

SiC-SBD와 Si-PND의 역회복 특성의 차이점

우선, 역회복 또는 리커버리란, 다이오드가 역 바이어스 상태가 되었을 때, 바로 완전히 OFF되지 않고, 일정 시간 역전류가 흐르는 현상으로, trr은 그 역전류가 흐르는 시간입니다. SiC-SBD의 trr은 Si-FRD를 포함한 Si-PND보다 고속이라는 점은 이미 기술하였습니다. 본 내용에서는 그 이유와 실제 특성을 확인하고자 합니다.

trr의 속도 및 역회복 특성의 차이점은 단적으로 말하면 다이오드 구조의 차이에 따라 달라집니다. 이를 설명하기 위해서는 반도체 속을 이동하는 전자와 정공에 대해 설명해야 하지만, 먼저 SiC-SBD와 Si-PND의 역회복 특성의 차이점을 파형도로 확인하여 주십시오.

오른쪽 파형도는 SiC-SBD와 고속 PND인 Si-FRD의 역회복 시의 전류와 시간을 나타냅니다. 적색 SiC-SBD 쪽이 역전류가 적고 trr이 짧은 것을 알 수 있습니다. 참고로, 이러한 특성이 검토 사항이 되는 이유는 역전류가 손실이 되기 때문입니다.

SiC_2-2_comptrr

이제 각 다이오드의 단면도를 사용하여 설명하겠습니다. 하기 그림은 Si-PND의 바이어스가 순 바이어스에서 역 바이어스로 이행 시, 전자와 정공의 움직임을 나타낸 것입니다.

순 바이어스 시에는 캐리어가 주입되어 정공과 전자의 재결합으로 인해 전류가 흐릅니다. 이것이 역 바이어스가 되면, n층에 있는 정공 (소수 캐리어)이 p층으로 되돌아가며, 이를 위해서는 다소 시간이 소요되어, 모두 되돌아갈 때 (일부는 라이프 타임에 의해 소멸)까지는 전류가 흐르게 됩니다. 이것이 바로 역회복 전류입니다.

SiC_2-2_revpn
SiC_2-2_revsic

두번째 그림은 SiC-SBD의 역 바이어스 이행 시를 나타낸 그림입니다. 쇼트키 배리어 구조이므로 PN 접합이 존재하지 않아 소수 캐리어가 없습니다. 역 바이어스 시에는 n층의 다수 캐리어인 전자가 되돌아갈 뿐이므로 역회복 시간이 매우 짧으며, PND에 비해 매우 짧은 시간에 OFF됩니다.

이 역회복 시간의 차이점은 모두 다이오드의 구조에 따른 것입니다. 따라서, Si-SBD도 역회복 시간이 고속입니다. 그러나, Si-SBD의 내압은 200V 정도가 한계이므로 그보다 높은 전압에서는 사용할 수 없습니다. 반면에 SiC를 사용하게 되면, 600V가 넘는 고내압의 SBD를 제작할 수 있습니다. 이것이 바로 SiC-SBD의 큰 메리트입니다.

하기는 역회복 특성의 온도 의존성과 전류 의존성에 관한 데이터입니다.

상단의 파형도와 그래프는 온도에 대한 역회복 특성의 차이점을 나타냅니다. Si-FRD는 온도가 상승하면 캐리어 농도가 상승하므로, 그만큼 역회복에 시간이 소요되며, 실온에서 역전류와 trr이 모두 커집니다. 이에 비해, SiC-SBD는 SiC 자체의 온도 의존성이 거의 없으므로, 역전류 특성의 변화가 거의 없습니다. Trr의 차이를 도표화한 것이 위의 우측 그래프이며, 2종류의 Si-FRD와의 비교에서 SiC-SBD trr의 온도 의존성은 거의 없다는 점을 알 수 있습니다.

하단부의 파형도는 순 바이어스 시의 순전류 IF와의 관계를 나타내고 있습니다. 여기에서도 SiC-SBD는 거의 영향을 받지 않는다는 점을 알 수 있습니다.

끝으로 SiC-SBD에는 역전류가 거의 흐르지 않는다고 표현해 왔습니다. 파형도에서는 Si-FRD에 비해 대폭 적다는 것이 명확하지만, 아주 없다는 것은 아닙니다. 이는 다이오드로서 기생 접합 용량 등이 존재하여, 그 영향을 받을 수 밖에 없기 때문입니다. 따라서, Si-PND에 비해 역전류는 zero가 아니라, 매우 적은 것이라고 이해하여 주십시오.

키 포인트

・SiC-SBD는 Si-PND (FRD)에 비해 trr이 고속이며, 역회복 전류도 대폭 적어 손실이 적다.

・SiC-SBD의 역회복 특성 (trr과 역회복 전류)에는 온도 의존성이 거의 없다.

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