Mejora de la eficiencia de los dispositivos SiC mediante diodos Schottky con pin fusionado

El carburo de silicio (SiC) tiene ventajas sobre el silicio (Si) que hacen que sea especialmente adecuado para diodos schottky en aplicaciones como cargadores rápidos de baterías, convertidores de baterías fotovoltaicas (PV) e inversores de tracción. Aun así, se está presionando a los diseñadores para que mejoren aún más la eficiencia.

Dos formas de conseguirlo con los dispositivos de SiC son reducir la corriente de fuga y las pérdidas debidas a la resistencia térmica. Aunque conseguir estos objetivos ha sido todo un desafío, los diodos Schottky de pin fusionado (MPS) ofrecen una solución. Los dispositivos MPS también mejoran el rendimiento de sobretensión de los diodos Schottky.

En este artículo se explican las ventajas de los diodos Schottky de SiC frente a los diodos convencionales para aplicaciones de alta potencia, esbozando dónde se puede conseguir una mayor mejora del rendimiento. A continuación, se presentan ejemplos de diodos MPS de Nexperia, se resumen sus características clave y se analizan cómo los diseñadores pueden beneficiarse de su aplicación.

Las ventajas de los diodos Schottky de (SiC)

La ventaja del diodo schottky SiC sobre una unión P-N Si tradicional se deriva de las propiedades del material semiconductor subyacente y de su diseño. El SiC tiene una banda prohibida más ancha que Si. La banda prohibida es la energía necesaria para mover electrones de la banda de valencia a la banda de conducción en un semiconductor, y es un factor crucial para determinar la conductividad eléctrica del material.

La banda prohibida más ancha del SiC le aporta una intensidad de campo de ruptura dieléctrico superior con una capa de deriva más fina para el mismo voltaje nominal en comparación con un dispositivo Si. La capa de deriva es la capa ligeramente dopada entre las capas P y N de un diodo convencional, o las capas de metal y P de un diodo Schottky SiC. La capa de deriva más fina ofrece menor resistividad y mejor rendimiento de conducción eléctrica a partir de un molde de menor tamaño.

Otra ventaja del SiC es que mejora aproximadamente 3.5 veces la conductividad térmica, lo que mejora la disipación de potencia para una superficie de chip determinada. La temperatura máxima de funcionamiento del SiC es casi el doble que la del Si. Utilizar un molde de menor tamaño disminuye la autocapacidad del dispositivo, y las cargas asociadas son menores para una corriente y voltaje nominales especificados. Estas características y la mayor velocidad de saturación de electrones del SiC permiten velocidades de conmutación más rápidas con pérdidas reducidas.

Desde el punto de vista constructivo, en lugar de la unión P-N convencional, el diodo Schottky prescinde del tipo P y utiliza en su lugar una fina capa de metal (platino, tungsteno, oro u otro metal) unida a un material de tipo N. Esta unión forma una unión metal-semiconductor (M-S) denominada barrera Schottky (Figura 1).

Figura 1: los diodos Schottky sustituyen el semiconductor de tipo P de un diodo convencional (arriba) por un metal para formar una unión M-S (abajo). (Fuente de la imagen: DigiKey)

La unión M-S genera una región de agotamiento de electrones más estrecha en condiciones de polarización directa e inversa que la unión P-N (Figura 2). La zona de agotamiento más estrecha confiere al diodo Schottky una ventaja clave: un voltaje directo (V_F) inferior al de un diodo convencional. Con polarización directa, el diodo Schottky suele iniciar la conducción a unos cientos de milivoltios, frente a los 0.6 a 0.7 voltios de una unión P-N. Esta característica es ventajosa para aplicaciones de baja potencia como los dispositivos alimentados por batería.

Figura 2: La zona de agotamiento del diodo Schottky es más estrecha tanto en condiciones de polarización directa como inversa, lo que se traduce en un bajo voltaje directo y menores pérdidas. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Los dispositivos Schottky conducen únicamente mediante portadores mayoritarios (electrones), lo que resulta en una carga insignificante almacenada en la capa de agotamiento de la unión del diodo cuando el componente está polarizado directamente. Esto limita las pérdidas (y la disipación de potencia) cuando el diodo interruptor pasa de polarización directa a inversa. Por el contrario, los diodos de unión P-N conducen a través de portadores minoritarias y mayoritarias, lo que da lugar a mayores cargas almacenadas en la capa de agotamiento. El resultado son mayores pérdidas de conmutación para el dispositivo P-N, que se multiplican con el aumento de la frecuencia.

En general, un diodo Schottky consumirá menos potencia y tenderá a ser más eficiente térmicamente para disipar el calor en aplicaciones de alta potencia que un dispositivo P-N. La reducción de la disipación permite al diodo Schottky soporta temperaturas más elevadas para un rendimiento más sólido y una mayor fiabilidad sin riesgo de desbordamiento térmico.

Otra ventaja de la estrecha zona de agotamiento del diodo Schottky es que dota al componente de menor capacitancia. Junto con el comportamiento de "conmutación suave" de los diodos SiC, esta baja capacitancia reduce significativamente la interferencia electromagnética (EMI).

Cómo mejorar los diodos schottky del SiC

Los diodos schottky de SiC siguen mejorando. Por ejemplo, la estrecha zona de agotamiento de un dispositivo SiC contemporáneo multiplica el impacto de las imperfecciones que se producen al fabricar la interfaz M-S, causando altas corrientes de fuga cuando el diodo está en polarización inversa. Además, la estrecha zona de agotamiento impide que el diodo Schottky del SiC soporte una elevada tensión inversa (V_R). Un diodo Schottky puede soportar una V_R de decenas de voltios, mientras que una unión P-N puede soportar cientos de voltios.

Una solución para hacer frente a las elevadas corriente de fuga del diodo SiC es espesar la capa de deriva y el sustrato del diodo. Sin embargo, esto aumenta la resistencia eléctrica y térmica, haciendo subir la V_F y la temperatura de unión (T_J) para una corriente dada. Además, la mayor resistencia de la capa de deriva engrosada puede impactar el rendimiento de la corriente de sobretensión.

Nexperia ha abordado este desafío con su diodo MPS. La estructura MPS de la serie PSC de Nexperia utiliza dos tipos de diodos, un Schottky SiC y un dispositivo P-N en paralelo. Los "pozos" dopados con P se implantan en la zona de deriva de un dispositivo Schottky convencional, formando un contacto óhmico P con el metal en el ánodo Schottky y una unión P-N con la capa de deriva o la capa epitaxial de SiC ligeramente dopada (Figura 3).

Figura 3: La estructura MPS utiliza dos tipos de diodos, un Schottky SiC y un dispositivo P-N, colocados en paralelo. Se implantan áreas dopadas con P en la zona de deriva para formar un contacto óhmico P con el metal y una unión P-N con la capa de deriva SiC o epitaxial. (Fuente de la imagen: Nexperia)

Bajo polarización inversa, los pozos dopados con P favorecen que la máxima intensidad de campo se desplace hacia abajo, hacia la capa de deriva casi libre de defectos, alejándose de la barrera metálica con sus imperfecciones, reduciendo la corriente de fuga global (Figura 4).

Figura 4: La adición de pozos dopados con P a un diodo Schottky SiC desplaza la zona de máxima intensidad de campo bajo polarización inversa lejos del ánodo metálico. El resultado es una menor corriente de fuga. (Fuente de la imagen: Nexperia)

La colocación, el área y la concentración de dopaje de los pozos dopados con P afectan a las características finales y crean un equilibrio entre la caída del V_F y las fugas y la corriente de sobretensión. Como resultado, un dispositivo MPS puede funcionar a una tensión disruptiva superior al de un diodo de SiC convencional, pero con la misma corriente de fuga y el mismo grosor de capa de deriva.

La combinación híbrida del diodo Schottky (un dispositivo unipolar) y el diodo P-N (bipolar) determina que la unión P-N no conduce en condiciones normales y el efecto es casi sin pérdidas de recuperación inversa. Sin embargo, la disposición híbrida mejora la clasificación de corriente de sobretensión porque el diodo P-N conduce cuando se producen eventos transitorios de sobrecorriente, protegiendo eficazmente el componente híbrido.

Dado que los diodos MPS se comportan como diodos Schottky en condiciones nominales, el dispositivo exhibe un comportamiento de conmutación puramente capacitivo, lo que se traduce en una carga de recuperación inversa (Q_RR) inferior a la de un diodo de recuperación rápida de Si con la misma clasificación eléctrica. El Q_RR, que es la carga almacenada en el diodo que debe recombinarse antes de que el diodo pueda bloquear la tensión inversa, es uno de los principales factores de pérdida de un diodo Si.

La figura 5 compara el comportamiento de recuperación inversa de un diodo de Si con el de un diodo SiC (PSC1065HJ de Nexperia). El diodo SiC presenta una conmutación puramente capacitiva, lo que se traduce en una Q_RR mínima. El Q_RR equivale al área del gráfico bajo el eje I_F = 0.

Figura 5: Se muestra el comportamiento de recuperación inversa de un diodo Si (izquierda) comparado con un diodo SiC (derecha). El diodo SiC muestra una conmutación puramente capacitiva, lo que se traduce en una Q_RR mínima. (Fuente de la imagen: Nexperia)

Reducción del grosor de la capa de deriva durante la fabricación

Debido a que los diodos MPS han reducido significativamente las corrientes de fuga en comparación con los diodos convencionales SiC, una ventaja puede ser ganancia de reducir el espesor de la capa de deriva. Como ya se ha indicado, en los diodos convencionales SiC, la capa de deriva es más gruesa que la utilizada en los diodos Si para mantener baja la corriente de fuga.

Durante la fabricación, el sustrato SiC sin procesar se dopa con N y se "cultivan" capas epitaxiales SiC para formar la región de deriva. El sustrato puede tener un grosor de hasta 500 micrómetros (µm), lo que aumenta la resistencia eléctrica y térmica a la corriente y la trayectoria del flujo de calor desde la unión hasta el metal de la cara posterior. El resultado es un aumento de la caída V_F y T_J para una corriente dada.

Una solución para disminuir la resistencia eléctrica y térmica de la capa de deriva es reducir el espesor de la cara inferior del sustrato esmerilado durante el proceso de fabricación (Figura 6). El resultado es un diodo MPS que, en determinadas condiciones de funcionamiento, mostrará una temperatura de funcionamiento más baja, una alta fiabilidad, una mayor capacidad de sobretensión y una caída de V_F más baja que un diodo SiC comparable.

Figura 6: La reducción del grosor de la parte inferior del sustrato (derecha) da como resultado un diodo MPS, que mostrará una menor temperatura de funcionamiento, alta fiabilidad, mayor capacidad de corriente de sobretensión, y menor caída de V_F que un diodo SiC comparable. (Fuente de la imagen: Nexperia)

Opciones comerciales

Nexperia ofrece una gama de diodos MPS para aplicaciones tan diversas como infraestructuras de carga de baterías, servidores y fuentes de alimentación de telecomunicaciones, sistemas de alimentación ininterrumpida e inversores fotovoltaicos.

El PSC0665HJ (Figura 7) es un diodo Schottky SiC MPS encapsulado en un paquete de montaje en superficie DPAK R2P (TO-252-2). La resistencia térmica de la unión a la carcasa (R_th(j-c)) es de 2.7 Kelvin/vatio (K/W). La disipación total de potencia (P_tot) (T_c ≤ +25 °C) es de 115 W. El diodo ofrece una desconexión capacitiva independiente de la temperatura y un comportamiento de conmutación de recuperación cero combinado con un buen coeficiente de calidad (FOM) (FOM = carga capacitiva total (Q_C) x V_F). El componente ofrece una sólida protección contra corriente de sobretensión, indicada por un alto pico no repetitivo de corriente directa (I_FSM).

Figura 7: El PSC0665HJ es un diodo Schottky SiC MPS encapsulado en un DPAK R2P (TO-252-2). (Fuente de la imagen: Nexperia)

El Q_C para el PSC0665HJ es de 14 nanoculombios (nC) (a V_R = 400 V; dI_F/dt= 200 A/microsegundo (A/µs); corriente directa (I_F) ≤ 6 A; T_J = +25 °C) y V_F = 1.5 V (a I_F = 6 A; T_J = +25 °C). Esto da una FOM para el diodo de 14 nC x 1.5 V = 21 nanojoules (nJ).

El pico máximo repetitivo de tensión inversa (V_RRM) es de 650 V. La corriente inversa (I_R) es de 1 µA a +25 °C, con un V_R de 650 V. La corriente directa (I_F) máxima es de 6 A, y la I_FSM máxima es de 300 A (t_p = 10 µs; onda cuadrada; T_c = +25 °C) o 36 A (t_p = 10 ms; media onda senoidal; T_c = +25 °C).

El PSC2065LQ es otra oferta de la familia de diodos Schottky SiC MPS de Nexperia. Este dispositivo viene encapsulado en un paquete de plástico de potencia con orificio pasante TO247 R2P (TO-247-2). La resistencia térmica de la unión a la carcasa (R_th(j-c)) es de 1 W. P_tot (T_c ≤ +25 °C) es de 115 W.

El Q_C para el PSC2065LQ es 41 Nc (a un V_R = 400 V; d_IF/dt= 200 A/µs; I_F ≤ 20 A; T_j = +25 °C) y V_F = 1.5 V (a un I_F = 20 A; T_J = +25 °C). Esto da una FOM de 41 Nc x 1.5 V = 61.5 nJ.

El V_RRM es 650 V. I_R es 1 µA a +25 °C, a un V_R de 650 V. El I_F máximo es de 10 A y el I_FSM máximo es de 440 A (t_p = 10 µs; onda cuadrada; T_c = +25 °C) o 52 A (t_p = 10 ms; media onda senoidal; T_c = +25 °C).

Conclusión

En comparación con el Si, los diodos Schottky SiC ofrecen ventajas técnicas superiores, como un rendimiento de conmutación significativamente mejor y una mayor frecuencia de conmutación, sin sacrificar la potencia de salida ni la eficiencia global del sistema. Más ganancia de rendimiento para los diodos Schottky SiC se han logrado con la construcción híbrida MPS de Nexperia que se aprovecha de un diodo Schottky SiC en paralelo con un diodo P-N. El resultado es un dispositivo que, en determinadas condiciones de funcionamiento, mostrará una temperatura de funcionamiento más baja, una mayor fiabilidad, una mayor capacidad de corriente de sobretensión y una menor caída de V_F que un diodo SiC comparable.