CN104362146A - 一种带雪崩特性的GaN基肖特基二极管器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带雪崩特性的GaN基肖特基二极管器件。器件包括将两个反向额定电压相同的GaN基肖特基二极管与Si基二极管并联，使得器件在反向工作时，当反向耐压超过器件的反向额定电压时，通过Si基二极管的雪崩击穿效应，固定反向电压，并且通过Si基二极管的雪崩效应产生雪崩电流，反馈给保护电路。从而保护器件本身以及整个电路系统，增强器件和电路的安全性与稳定性。

Description

一种带雪崩特性的GaN基肖特基二极管器件

技术领域

本发明涉及一种电力电子器件制造以及电力电子电路领域，尤其设计一种带雪崩击穿特性的GaN基肖特基二极管器件。

研究背景

GaN基半导体材料由于具有宽禁带、高电子迁移速度、高热导率、耐腐蚀，抗辐射等突出优点，在制作高温、高频、大功率电子器件方面有着独特的优势。

GaN基高压肖特基二极管由于相较于Si基二极管器件具有更低的导通电阻，更高的反向耐压，以及极短的反向恢复时间，以及比 SiC基二极管器件具有更低的价格，得到了广泛的研究和发展。

但是，由于肖特基二极管在反向工作时，随着耐压的升高会发生肖特基势垒降低效应和势垒隧穿效应，这样就会使得器件反向工作时的漏电流大大升高。GaN材料高的缺陷密度，也会升高器件反向工作时的漏电流。由于GaN材料高的击穿雪崩击穿电场，在器件的反向漏电流很高时也很难达到雪崩击穿。这样就会使得所设计GaN基二极管器件的反向额定电压远低于材料发生雪崩击穿时的耐压。

然而，对于Si基高压二极管材料，由于Si材料低的雪崩击穿电场，当反向电压超过器件反向额定电压时会发生雪崩击穿。在实际电路中，当电路不稳定，使得器件反向工作电压高于额定电压达到雪崩击穿电压时，由于雪崩效应使得器件上反向电压固定。固定反向电压下直线上升的反向漏电流，也会触发电路中的保护装置，从而保护整个电力电子系统。

对于GaN基肖特基二极管器件，当反向电压高于GaN基肖特基二极管的反向额定压时，由于不会雪崩击穿，反向电压不能固定。在不稳定的电路中，会发生反向电压与反向漏电流同时上升的现象。而过高的反向电压与反向漏电流不但会增加电路的功耗，而且会对功率器件自身以及电路产生破坏作用。在电路设计中，缺少了雪崩电流的反馈作用，也会增加反馈电路的设计难度。

   因此，GaN基肖特基二极管的反向工作特性需要改进。

 

发明内容

有鉴于此，本发明的目的旨在解决常规GaN基肖特基二极管在实际应用中，反向工作时，当反向电压超过反向额定电压时，不能固定反向电压，不能形成雪崩电流反馈的问题。

为了实现上述目的，本发明通过使得GaN基肖特基二极管与Si基二极管并联，当反向电压超过额定值时，通过Si基二极管的雪崩效应，固定反向电压，形成雪崩电流反馈，从而保护器件与电路。具体实施方法如下。

步骤一：选择反向耐压大于或者等于设计所需反向额定电压的GaN基肖特基二极管。

步骤二：选择反向额定电压等于设计要求反向额定电压的Si基二极管。

步骤三：将步骤一中所述的GaN基肖特基二极管阳极与步骤二中所述的Si基二极管或阳极相连，将步骤一中所述的GaN基肖特基二极管的阴极与将步骤一中所述的Si基二极管阴极相连。

其中步骤一所述的GaN基肖特基二极管器件，可以是GaN体材料肖特基二极管也可以是AlGaN/GaN HEMTs 肖特基二极管。

其中，为了达到设计所需的正向额定电流与反向额定电压的要求，步骤一中所述的GaN基肖特基二极管也可以是两个或者两个以上的GaN基二极管相互串联或者并联形成的模块，其反向额定耐压为整个模块的反向额定电压。

其中，当单个Si基二极管不能达到设计要求反向额定电压时，步骤二中所述的Si基二极管也可以是两个或者两个以上Si基二极管相互串联的模块，其反向额定电压为整个模块的反向额定电压。

其中步骤二中所述的Si基二极管的结构可以是各种结构，如：肖特基结构、PiN结构等等。

其中步骤三种所述的GaN基二极管与Si基二极管的连接方法，可以是各种方法，如：封装为DBC模块、电路板焊接或者其他封装形式。

本发明中应用Si基二极管与GaN基肖特基二极管并联，利用了Si基二极管反向电压超过额定电压的雪崩击穿效应，固定反向电压，形成雪崩电流反馈，从而保护了器件与电路。改进了GaN基肖特基二极管的反向特性。增强了电路系统的安全性与稳定性。

附图说明

附图1是本发明实施实例中，将一个GaN基肖特基二极管与一个Si基二极管并联的示意图

     附图2是本发明实施实例中，将一个GaN基肖特基二极管与二个或两个以上串联的Si基二极管并联的示意图

     附图3是本发明实施实例中，将两个或者两个以上串联GaN基肖特基二极管与一个Si基二极管并联的示意图

      附图4是本发明实施实例中，将两个或者两个以上并联的GaN基肖特基二极管与一个Si基二极管并联的示意图

附图5是本发明实施实例中，将两个或者两个以上并联的GaN基肖特基二极管与两个或者两个以上串联的Si基二极管并联的示意图。

具体实施方式

本发明中应用Si基二极管与GaN基二极管并联，利用了Si基二极管雪崩击穿效应，固定反向电压，形成雪崩电流反馈，从而保护了器件与电路。改进了GaN基肖特基二极管的反向特性。增强了电路系统的安全性与稳定性。

为进一步说明本发明的特征和技术方案，以下结合附图通过具体实施例的描述，进一步详细说明本发明的结构、优点和性能。

实施实例一：将两个反向额定电压相同GaN基肖特基二极管与Si基二极管并联，如附图1所示。

实施实例二：当单个Si基二级管的反向额定电压不能达到GaN基肖特基二极管的反向额定电压时，串联两个或者两个以上Si基二极管使其总的反向额定电压与一个GaN基肖特基二极管的反向额定电压相同，将串联的Si基二极管与GaN基二极管并联，如附图2所示。

实施实例三：当单个GaN基肖特基二极管不能达到设计要求的反向额定电压时，串联两个或者两个以GaN基肖特基二极管，使其总的反向额定电压等于设计要求的反向额定电压。选择与串联GaN基二极管总的反向额定电压相同的Si基二极管，并将其与串联的GaN基二极管并联，如附图3所示。

实施实例四：当单个GaN基肖特基二极管不能达到设计要求的正向额定电流时，并联两个或者两个以上GaN基肖特基二极管，使其总的额定电流达到设计要求的正向额定电流，选择与并联GaN基二极管相同反向额定电压的Si基二极管，并将其与并联的GaN基二极管并联，如附图4所示。

实施实例五：并联两个或者两个以上GaN基肖特基二极管，串联两个或者两个以上 Si基二极管使其反向额定电压与并联GaN基肖特基二极管反向额定电压相同，将串联的Si基二极管其与并联的GaN基二极管并联，如附图5所示。

上面结合附图对本发明的实施实例做了详细说明，但是本发明不限于上述实施实例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种带雪崩击穿特性的GaN基肖特基二极管器件，包括反向耐压大于或者等于设计所需反向额定电压的GaN基肖特基二极管,反向额定电压等于设计要求反向额定电压的Si基二极管,所述的GaN基肖特基二极管阳极与步骤二中所述的Si基二极管或阳极相连，将所述的GaN基肖特基二极管的阴极与所述的Si基二极管阴极相连。

2.如权利要求1所述一种带雪崩击穿特性的GaN基肖特基二极管器件，其特征在于，其中所述的GaN基肖特基二极管器件，可以是GaN体材料肖特基二极管也可以是AlGaN/GaN HEMTs 肖特基二极管。

3.如权利要求1所述一种带雪崩击穿特性的GaN基肖特基二极管器件，其特征在于，为了达到设计所需的正向额定电流与反向额定电压的要求，所述的GaN基肖特基二极管也可以是两个或者两个以上的GaN基二极管相互串联或者并联形成的模块，其反向额定耐压为整个模块的反向额定电压。

4.如权利要求1所述一种带雪崩击穿特性的GaN基肖特基二极管器件，其特征在于，当单个Si基二极管不能达到设计要求反向额定电压时，所述的Si基二极管也可以是两个或者两个以上Si基二极管相互串联的模块，其反向额定电压为整个模块的反向额定电压。

5.如权利要求1所述一种带雪崩击穿特性的GaN基肖特基二极管器件，其特征在于，所述的Si基二极管的结构可以是各种结构，如：肖特基结构、PiN结构等等。

6.如权利要求1所述一种带雪崩击穿特性的GaN基肖特基二极管器件，其特征在于，所述的GaN基二极管与Si基二极管的连接方法，可以是各种方法，如：封装为DBC模块、电路板焊接或者其他封装形式。