Welke diode is stabieler onder hoge temperaturen?

一, Faalmechanisme bij hoge temperaturen van traditionele op silicium-gebaseerde diodes
1. Temperatuurgevoeligheid van PN-junctiediodes
Standaard silicium PN-junctiediodes vertonen een dubbel risico op falen bij hoge temperaturen:

Positieve degradatie van karakteristieken: voor elke temperatuurstijging van 1 graad neemt de spanningsval in de voorwaartse richting af met ongeveer 2 mV, wat resulteert in een toename van het geleidingsverlies. Bij 150 graden neemt de voorwaartse spanningsval van de 1N4007-gelijkrichterdiode bijvoorbeeld af van 0,7 V bij kamertemperatuur naar 0,4 V, maar de geleidingsstroom neemt drievoudig toe als gevolg van het thermische excitatie-effect, waardoor lokale oververhitting ontstaat.
Verlengde omgekeerde hersteltijd: de levensduur van minderheidsdragers wordt verlengd bij hoge temperaturen, en de omgekeerde hersteltijd (trr) wordt verlengd van 500 ns bij kamertemperatuur tot meer dan 2 μs, wat resulteert in aanzienlijke schakelverliezen bij hoogfrequente schakeltoepassingen. Een casestudy van een industriële frequentieomvormer laat zien dat wanneer de omgevingstemperatuur stijgt van 25 graden naar 125 graden, het schakelverlies van traditionele snelhersteldiodes met 47% toeneemt, waardoor de junctietemperatuur van de IGBT-module de norm overschrijdt.
2. Lekstroomcrisis van Schottky-diodes
Hoewel op silicium-gebaseerde Schottky-diodes een lage voorwaartse spanningsval (0,2-0,4V) en snelle schakeleigenschappen hebben, vertoont hun metalen halfgeleiderovergang fatale defecten bij hoge temperaturen:

Groei van de omgekeerde lekstroomindex: voor elke temperatuurstijging van 10 graden verdubbelt de lekstroom. Bij 175 graden kan de lekstroom van de MBR2045CT Schottky-diode 10 mA bereiken, wat veel groter is dan de nominale tegenstroom (5 μA bij 25 graden). Uit de testgegevens van een autolader blijkt dat wanneer de omgevingstemperatuur 125 graden bereikt, de lekstroom van traditionele silicium Schottky-diodes leidt tot een afname van de systeemefficiëntie met 3,2%.
Risico op thermische runaway: Joule-verwarming gegenereerd door lekstroom vormt een positieve feedbacklus met de omgevingstemperatuur. Een experiment toonde aan dat in een omgeving van 200 graden een ongekoelde silicium Schottky-diode binnen 30 seconden doorbrandt als gevolg van thermische overstroming.
3. Spanningsonbalans van de zenerdiode
Zenerdiodes worden geconfronteerd met dubbele uitdagingen bij hoge temperaturen:

Zener-spanningsdrift: met een temperatuurcoëfficiënt van -2mV/graad kan de uitgangsspanning van de 24V-spanningsregelaar afwijken naar 22,8V bij 150 graden, wat de stabiliteit van precisiecircuits beïnvloedt.
Maximale demping van gedissipeerd vermogen: De thermische weerstand neemt toe met de temperatuur, en het werkelijke gedissipeerde vermogen van een bepaalde spanningsregelaarbuis van 1 W daalt tot 0,3 W bij 125 graden, wat resulteert in oververhitting en schade aan het apparaat.
2, Doorbraak op hoge temperatuur van materiaaldiode met brede bandafstand
1. SiC Schottky-diode: een nieuwe definitie van hoge- temperatuurgeleiding
Siliciumcarbidematerialen bereiken een hoge-temperatuurstabiele werking op basis van drie belangrijke kenmerken:

Een brede bandafstand onderdrukt lekstroom: met een bandbreedte van 3,2 eV is de intrinsieke dragerconcentratie van SiC bij 200 graden slechts 1/10 van die van silicium. Uit experimentele gegevens blijkt dat de lekstroomdichtheid van de C3D02060A SiC Schottky-diode bij 200 graden slechts 0,1 μA/cm² bedraagt, wat drie ordes van grootte lager is dan die van siliciumapparaten.
Een hoge doorslagveldsterkte vermindert de geleidingsweerstand: een doorslagveldsterkte die 10 keer zo groot is als die van silicium (3MV/cm) maakt het gebruik van dunnere driftlagen mogelijk. De geleidingsweerstand van een 1200V SiC Schottky-diode bedraagt ​​slechts 0,8 m Ω, wat 90% lager is dan die van een silicium PIN-diode en het geleidingsverlies met 75% vermindert.
Optimalisatie van de warmteafvoer met hoge thermische geleidbaarheid: een thermische geleidbaarheid van 4,9 W/(cm · K) maakt een snelle warmteoverdracht naar het warmteafvoersubstraat mogelijk. Tests met een motorcontroller voor elektrische voertuigen hebben aangetoond dat het gebruik van SiC Schottky-diodes de junctietemperatuur van het apparaat met 40 graden verlaagt en de systeemefficiëntie met 2,3% verbetert in vergelijking met siliciumoplossingen.
2. Structurele innovatie: het elimineren van de opslag van minderheidsdragers
SiC Schottky-diodes gebruiken een metalen halfgeleiderbarrièrestructuur, waardoor het recombinatieproces van minderheidsdragerinjectie in PN-overgangen volledig wordt geëlimineerd, en hun omgekeerde herstellading (Qrr) is slechts 1/20 van die van silicium snelhersteldiodes. Bij een schakelfrequentie van 100 kHz wordt het schakelverlies van een 650 V SiC Schottky-diode met 82% verminderd in vergelijking met siliciumapparaten, waardoor het voedingssysteem kan werken op hoge frequenties boven 200 kHz en het volume van magnetische componenten met 60% wordt verminderd.

3, Prestatieverificatie van typische toepassingsscenario's
1. Op het gebied van nieuwe energievoertuigen
De Tesla Model 3-motorcontroller gebruikt Cree C3M0075120K SiC MOSFET en bijpassende Schottky-diode om het volgende te bereiken:

Schakelfrequentie verhoogd tot 50 kHz, spoelvolume verminderd met 40%
De systeemefficiëntie bereikt 98,5%, wat 1,2% hoger is dan de siliciumoplossing
Bereik vergroot met 5-8%
2. Controle van industriële hoge-ovens
Het voedingssysteem van een continugietmachine in een bepaalde staalonderneming maakt gebruik van ROHM SCH2080KE SiC Schottky-diode. Na continu gebruik gedurende 20.000 uur bij een omgevingstemperatuur van 150 graden:

De lekstroom blijft stabiel onder 0,5 μA
Het uitvalpercentage van het apparaat is 0
De systeemonderhoudscyclus is verlengd van 3 maanden naar 2 jaar
3. Stroomvoorziening voor de lucht- en ruimtevaart
Het energiesysteem van de Sentinel-6-satelliet van het European Space Agency maakt gebruik van Infineon IDH06G65C5XKSA1 SiC Schottky-diodes. Tijdens de vacuümkoude en warme cyclustest van -180 graden tot +150 graden:

Parameterdrift<0.5%
Stralingsweerstand tot 100krad (Si)
Gewichtsreductie met 30% vergeleken met siliciumoplossing