Diod yang manakah lebih stabil dalam keadaan suhu tinggi?

一, Mekanisme kegagalan suhu tinggi bagi diod berasaskan silikon tradisional-
1. Kepekaan suhu diod simpang PN
Diod simpang PN silikon standard mempamerkan dua risiko kegagalan pada suhu tinggi:

Kemerosotan ciri positif: Untuk setiap kenaikan 1 darjah suhu, penurunan voltan hadapan berkurangan sebanyak kira-kira 2mV, mengakibatkan peningkatan kehilangan pengaliran. Sebagai contoh, pada 150 darjah , penurunan voltan hadapan diod penerus 1N4007 berkurangan daripada 0.7V pada suhu bilik kepada 0.4V, tetapi arus pengaliran meningkat tiga kali ganda disebabkan oleh kesan pengujaan terma, menyebabkan terlalu panas setempat.
Masa pemulihan songsang lanjutan: Jangka hayat pembawa minoriti dipanjangkan pada suhu tinggi dan masa pemulihan songsang (trr) dilanjutkan daripada 500ns pada suhu bilik kepada lebih 2 μs, mengakibatkan kehilangan penukaran yang ketara dalam-aplikasi penukaran frekuensi tinggi. Kajian kes bagi penukar frekuensi industri menunjukkan bahawa apabila suhu ambien meningkat daripada 25 darjah kepada 125 darjah , kehilangan pensuisan diod pemulihan cepat tradisional meningkat sebanyak 47%, menyebabkan suhu simpang modul IGBT melebihi standard.
2. Krisis semasa kebocoran diod Schottky
Walaupun diod Schottky berasaskan silikon-mempunyai penurunan voltan ke hadapan yang rendah (0.2-0.4V) dan ciri pensuisan pantas, simpang semikonduktor logamnya mendedahkan kecacatan maut pada suhu tinggi:

Pertumbuhan indeks arus bocor terbalik: Untuk setiap kenaikan suhu 10 darjah, arus bocor berganda. Pada 175 darjah, arus bocor MBR2045CT Schottky diod boleh mencapai 10mA, jauh melebihi arus terbalik terkadarnya (5 μ A @ 25 darjah). Data ujian pengecas kereta menunjukkan bahawa apabila suhu ambien mencapai 125 darjah , arus kebocoran diod Schottky silikon tradisional membawa kepada penurunan kecekapan sistem sebanyak 3.2%.
Risiko pelarian haba: Pemanasan Joule yang dijana oleh arus bocor membentuk gelung maklum balas positif dengan suhu ambien. Satu eksperimen menunjukkan bahawa dalam persekitaran 200 darjah, diod Schottky silikon yang tidak disejukkan terbakar akibat pelarian haba dalam masa 30 saat.
3. Ketidakseimbangan voltan diod Zener
Diod Zener menghadapi dua cabaran pada suhu tinggi:

Hanyut voltan Zener: Dengan pekali suhu -2mV/ darjah , voltan keluaran pengatur voltan 24V mungkin menyimpang kepada 22.8V pada 150 darjah, menjejaskan kestabilan litar ketepatan.
Pengecilan kuasa lesap maksimum: Rintangan haba meningkat dengan suhu, dan kuasa lesap sebenar tiub pengatur voltan 1W tertentu turun kepada 0.3W pada 125 darjah, mengakibatkan terlalu panas dan kerosakan pada peranti.
2, Penembusan suhu tinggi diod bahan celah jalur lebar
1. Diod SiC Schottky: mentakrifkan semula-kekonduksian suhu tinggi
Bahan silikon karbida mencapai-pengoperasian stabil suhu tinggi berdasarkan tiga ciri utama:

Celah jalur lebar menyekat arus bocor: Dengan lebar celah jalur 3.2eV, kepekatan pembawa intrinsik SiC pada 200 darjah hanyalah 1/10 daripada silikon. Data eksperimen menunjukkan bahawa ketumpatan arus bocor C3D02060A SiC Schottky diod pada 200 darjah hanya 0.1 μ A/cm², iaitu tiga susunan magnitud lebih rendah daripada peranti silikon.
Kekuatan medan pecahan yang tinggi mengurangkan rintangan pengaliran: Kekuatan medan pecahan 10 kali ganda daripada silikon (3MV/cm) membolehkan penggunaan lapisan hanyut yang lebih nipis. Rintangan pengaliran diod 1200V SiC Schottky hanya 0.8m Ω, iaitu 90% lebih rendah daripada diod PIN silikon dan mengurangkan kehilangan pengaliran sebanyak 75%.
Mengoptimumkan pelesapan haba dengan kekonduksian haba yang tinggi: Kekonduksian terma 4.9W/(cm · K) membolehkan pemindahan haba pantas ke substrat pelesapan haba. Ujian pada pengawal motor kenderaan elektrik telah menunjukkan bahawa menggunakan diod SiC Schottky mengurangkan suhu simpang peranti sebanyak 40 darjah dan meningkatkan kecekapan sistem sebanyak 2.3% berbanding dengan larutan silikon.
2. Inovasi struktur: Menghapuskan storan pembawa minoriti
Diod SiC Schottky mengguna pakai struktur penghalang semikonduktor logam, menghapuskan sepenuhnya proses penggabungan suntikan pembawa minoriti dalam persimpangan PN, dan caj pemulihan terbalik (Qrr) mereka hanya 1/20 daripada diod pemulihan pantas silikon. Pada frekuensi pensuisan 100kHz, kehilangan pensuisan diod SiC Schottky 650V dikurangkan sebanyak 82% berbanding peranti silikon, membolehkan sistem kuasa beroperasi pada frekuensi tinggi melebihi 200kHz dan mengurangkan volum komponen magnet sebanyak 60%.

3, Pengesahan prestasi senario aplikasi biasa
1. Dalam bidang kenderaan tenaga baharu
Pengawal motor Tesla Model 3 menggunakan Cree C3M0075120K SiC MOSFET dan memadankan diod Schottky untuk mencapai:

Kekerapan pensuisan meningkat kepada 50kHz, volum induktor dikurangkan sebanyak 40%
Kecekapan sistem mencapai 98.5%, iaitu 1.2% lebih tinggi daripada larutan silikon
Julat meningkat sebanyak 5-8%
2. Kawalan relau suhu tinggi-perindustrian
Sistem kuasa mesin tuangan berterusan dalam perusahaan keluli tertentu menggunakan diod ROHM SCH2080KE SiC Schottky. Selepas operasi berterusan selama 20000 jam pada persekitaran 150 darjah:

Arus kebocoran kekal stabil di bawah 0.5 μ A
Kadar kegagalan peranti ialah 0
Kitaran penyelenggaraan sistem telah dilanjutkan daripada 3 bulan kepada 2 tahun
3. Bekalan kuasa aeroangkasa
Sistem kuasa satelit Sentinel-6 Agensi Angkasa Eropah menggunakan diod Infineon IDH06G65C5XKSA1 SiC Schottky. Semasa ujian berbasikal sejuk dan panas vakum dari -180 darjah ke+150 darjah :

Hanyutan parameter<0.5%
Rintangan sinaran sehingga 100krad (Si)
Berat berkurangan sebanyak 30% berbanding larutan silikon