碳化硅齐纳二极管简介

碳化硅齐纳二极管是一种特殊类型的二极管，它利用碳化硅材料的优越性能来实现稳定的电压调节。齐纳二极管本质上是通过齐纳击穿来维持一个相对恒定的电压，这使它们成为电压调节器和过压保护器的理想选择。相比于传统的硅基齐纳二极管，碳化硅材料的击穿电场强度比硅的大得多，这使得SiC齐纳二极管可以在更高的电压下工作，而不会损坏。SiC的热稳定性较好，使得SiC齐纳二极管能够在更高的温度下工作，而性能不会显著下降。这对于需要在苛刻环境条件下工作的应用非常重要。碳化硅的热导率高，能够有效地散热，从而使其可以处理更大的功率而不会过热。碳化硅齐纳二极管的常见应用包括：电源稳压器，过压保护以保护电路免受短时的电压突升等。

由于上述特性，尽管碳化硅齐纳二极管通常比传统硅基齐纳二极管更昂贵，但在许多高性能和苛刻条件下的应用中，SiC齐纳二极管是非常值得的选择。

碳化硅齐纳二极管仿真

碳化硅齐纳二极管的击穿电压通常比较高，典型值从几十伏特到几百伏特甚至数千伏特。这是因为碳化硅材料具有更高的能带隙和更强的电场承受能力。例如，一些常见的碳化硅齐纳二极管击穿电压可以在20V、50V、100V甚或更高。对于碳化硅二极管，开启电压通常比硅二极管的更高，一般在2.5V到3.5V范围之内。

图1 碳化硅齐纳二极管仿真结构图

图2 碳化硅齐纳二极管正向导通特性仿真结果’

在SiC齐纳二极管中，击穿机制通常涉及带带隧穿和缺陷辅助隧穿这两种主要机制，带带隧穿是一种量子力学效应，发生在较高的电场和极高的掺杂浓度条件下。在BTBT过程中，电子直接从价带跨越禁带，隧穿到导带中。这种机制通常在电场非常强时才会显著，即在SiC中，因为它的禁带宽度较大（约3.2 eV - 3.4 eV），需要更高的电场才能实现带带隧穿。缺陷辅助隧穿（Trap-Assisted Tunneling，TAT）则依赖于原子缺陷、晶格不完美或掺杂引入的深能级陷阱，这些陷阱在能带中引入中间态，使得电子可以通过这些中间态逐步隧穿过禁带，从而降低直接带带隧穿所需的电场。由于SiC材料中的本征缺陷、界面态和杂质等都会引入陷阱，这种机制在实际器件中也相当普遍。

在高电场下，电子的波函数会延伸到禁带的一侧，并在对面找到能级相匹配的态，形成直接跨能带隧穿，由于SiC的宽禁带特性，需要足够强的反向偏置电压才能达到这一条件。

缺陷辅助隧穿是指电子先从价带跃迁到一个能量较高的缺陷态，这个过程可以是热激发或隧穿，之后电子通过一系列缺陷态逐步跃迁至导带，完成整个隧穿过程，这种机制的显著特征是它依赖于材料中的缺陷密度和能级分布，较低的电场也能引发。

图3 碳化硅齐纳二极管反向击穿特性（带带隧穿模型）仿真结果

图4 碳化硅齐纳二极管反向击穿特性（不同参数下带带隧穿模型）仿真结果

图5 碳化硅齐纳二极管反向击穿特性（缺陷辅助隧穿模型）仿真结果

图6 碳化硅齐纳二极管带带隧穿产生率分布