Vorteile von Trench-Schottky-Dioden bei hohen Schaltfrequenzen

Schottky-Dioden zeichnen sich durch niedrige Durchlassspannungen und hohe Schaltgeschwindigkeiten aus. Sie eigenen sich dadurch für zahlreiche Anwendungen, z.B. als Boost-Diode in Schaltnetzteilen. Im Vergleich zu ihren planaren Pendants bieten Schottky-Dioden in der Trench-Technologie dank ihrer kleineren Sperrverzögerungsladung (Qrr) viele Vorteile.

Nachteile herkömmlicher Schottky-Dioden

Ein idealer Gleichrichter hätte eine möglichst geringe Durchlassspannung, eine möglichst hohe Sperrspannung, einen möglichst geringen Leckstrom und eine möglichst geringe parasitäre Kapazität. All das würde sehr hohe Schaltgeschwindigkeiten ermöglichen mit möglichst geringen Durchlass- und Schaltverlusten. Die Durchlassspannung setzt sich aus zwei Anteilen zusammen: der Spannungsabfall über die Sperrschicht, also der PN-Übergang bei PN-Dioden bzw. der Metall-Halbleiter-Übergang bei Schottky-Dioden. Hinzu kommt der Spannungsabfall über die Drift-Zone. Während der Durchlassspannungsabfall an einem PN-Übergang hauptsächlich durch das verwendete Halbleitermaterial bestimmt wird, kann der Durchlassspannungsabfall an der Metall-Halbleiter-Grenzfläche in einer Schottky-Diode durch die Wahl des Schottky-Metalls verändert werden. Die Schottky-Barriere ergibt sich durch die Differenz zwischen der Austrittsarbeit des Metalls (metal work, MW) und der Elektronenaffinität des Halbleiters.

Durch die Verwendung von Schottky-Metallen mit geringer Austrittsarbeit lässt sich der Spannungsabfall über den Metall-Halbleiter-Übergang minimieren. Hier ist jedoch ein Kompromiss zwischen dem Spannungsabfall über diese Grenzfläche und dem Leckstrom des Bauteils einzugehen, da die Höhe des Leckstroms ebenfalls durch die Schottky-Barriere und das elektrische Feld an dem Metall-Halbleiter-Übergang bestimmt wird. Außerdem kann der Vorteil des geringeren Spannungsabfalls über dem Metall-Halbleiter-Übergang verloren gehen, wenn die Dicke der Driftzone zwecks Erhöhung der Sperrspannung vergrößert wird. Dadurch erhöht sich der Spannungsabfall über diesen Bereich deutlich. Aus diesem Grund ist die Sperrspannung von Schottky-Dioden in der Regel auf weniger als 200 V begrenzt.

Trench-Technologie

Die Herausforderung besteht also darin, unter Beibehaltung eines möglichst geringen Spannungsabfalls über den Metall-Halbleiter-Übergang den Leckstrom zu minimieren und die Sperrspannung zu maximieren. Hier erweist sich die Trench-Technologie als äußerst nützlich. Die Trench-Schottky-Diode basiert auf einem Konzept, das als „RESURF“ (reduced surface field) bezeichnet wird (Bild 1). Bei einer planaren Schottky-Diode konzentrieren sich die Äquipotentiallinien in der Nähe der oberen Elektrode. Daraus resultiert ein starkes elektrisches Feld nah an der Oberfläche. Die Folge ist ein mit zunehmender Sperrspannung starker Anstieg des Leckstroms und ein frühzeitiger Durchbruch, wenn die kritische elektrische Feldstärke im Bereich nah der Oberfläche überschritten wird.

Durch Einätzen von Gräben (trenches) in das Silizium, die mit Polysilizium gefüllt werden und durch ein dünnes Dielektrikum elektrisch vom Driftbereich getrennt sind, wirken die Gräben wie eine Feldplatte im Halbleiter, die den Driftbereich in Sperr-Richtung verarmt und zu einem abgeflachten elektrischen Feldprofil entlang des Driftbereichs führt. Dadurch, dass die Trench-Struktur das elek­trische Feld in der Nähe der Oberfläche redu­ziert, führt sie zu einem geringeren Leckstrom und einer höheren Durchbruchspannung im Vergleich zu einer Planar-Diode mit der gleichen Epitaxie-Struktur.

Nexperia hat ein ganzes Portfolio an Trench-Schottky-Dioden mit Sperrspannungen von 45 bis 100 V (Familie PMEG*T) entwickelt und auf den Markt gebracht. Diese Bauteile bieten einen sehr guten Kompromiss zwischen der Durchlassspannung (Vf) und dem Leckstrom (IR). Bild 2 zeigt beispielhaft die VF - und IR-Werte für die 60-V-Typen. Das Diagramm zeigt den Leckstrom bei maximaler Sperrspannung über die Durchlassspannung bei maximalem Durchlassstrom und 125 °C Umgebungstemperatur im Vergleich zu Trench- und Planar-Schottky-Dioden zweier anderer Hersteller. Bei gegebener Durchlassspannung weist die Trench-Schottky-Diode von Nexperia den geringsten Leckstrom auf.

Der geringere Leckstrom der Trench-Schottky-Dioden im Vergleich zu ihren planaren Pendants mit ähnlicher Durchlassspannung führt zu einem größeren sicheren Betriebsbereich (SOA). Die Trench-Schottky-Dioden von Nexperia bieten nicht nur die für die Trench-Technologie typischen SOA-Vorteile im Vergleich zu planaren Dioden, sondern wurden auch speziell auf einen möglichst großen sicheren Betriebsbereich hin entwickelt. Im Vergleich zu einem Wettbewerbsprodukt ist bei 125 °C Sperrschichttemperatur die maximale zulässige Sperrspannung der Trench-Schottky-Diode um fast 40 V höher.

Daher sind Trench-Schottky-Dioden für Anwendungen mit höheren Umgebungstemperaturen – beispielsweise im Automobilbereich – die richtige Wahl, da sie robuster gegen thermisches Weglaufen sind (das auftritt, wenn die durch den Leckstrom der Diode verursachte Verlustleistung schneller über die Temperatur zunimmt als die durch den thermischen Widerstand des Systems begrenzte Wärmeabfuhr).

Bild 3 zeigt das Ersatzschaltbild einer Trench-Schottky-Diode. Außer der üblichen parasitären Sperrschichtkapazität einer Schottky-Diode (CDIODE) gibt es eine zweite parasitäre Kapazität (CTRENCH) zwischen der Anode und RDrift, bedingt durch das dünne Dielektrikum der Trench-Strukturen. Das bedeutet, dass die parasitäre Gesamt-Kapazität pro Flächeneinheit einer Trench-Schottky-Diode größer ist als die seines planaren Pendants.

Das Schaltverhalten einer Diode wird durch die Sperrverzögerungszeit (reverse recovery time) charakterisiert. Die Sperrverzögerungszeit wird gemessen, indem die Diode zuerst in Durchlassrichtung betrieben wird und dann auf Sperrrichtung umschaltet. Da die in der parasitären Kapazität CDiode gespeicherte Ladung zuerst abgebaut werden muss, bevor die Raumladungszone sich ausweitet und die Diode sperren kann, fließt ein sogenannter Reverse-Recovery-Strom. Bild 4 zeigt die Ergebnisse von Reverse-Recovery-Messungen an einer Trench- und einer Planar-Schottky-Diode vergleichbarer Kristallgröße und in einem vergleichbaren Gehäuse.

Bei dieser Messung wurde der Strom mit einer Stromsteilheit (di/dt) von -1 A/ns heruntergefahren. Die Fläche unter der Nulllinie ist ein Maß für die Qrr in der Diode. Die blaue Kurve veranschaulicht die deutlich kleinere Qrr der Trench-Diode. Das Diagramm belegt außerdem den geringeren Reverse-Recovery-Strom und die kürzere Reverse-Recovery-Zeit der Trench-Diode (trotz dessen größerer parasitären Kapazität, wie oben erläutert wurde). Besonders bemerkenswert ist die hohe Qrr-Temperaturstabilität von Trench-Dioden, da diese Bauteile höchst selten bei nur 25 °C betrieben werden. Wie aus Bild 4 hervorgeht, ändert sich die Qrr der Trench-Diode bei einer erhöhten Umgebungstemperatur von 85°C kaum, wogegen dieser Wert bei einer Planar-Schottky-Diode deutlich ansteigt.

Bild 5 verdeutlicht den Einfluss der geringeren Qrr der Trench-Schottky-Diode auf den Wirkungsgrad eines 48-V/12-V-Schaltreglers. Die geringe Qrr-Wert führt zu einem signifikant höheren Wirkungsgrad, insbesondere bei hohen Schaltfrequenzen, bei denen die Schaltverluste eine wichtigere Rolle spielen. Überschwinger, die beim Schalten von Trench-Schottky-Dioden auftreten können, wirken sich nicht negativ auf leitungsgebundene und feldgebundene Störstrahlung aus.

Nexperia bietet heute 60 Dioden von 40 V bis 100 V und von 1 A bis 20 A in Produktionsstückzahlen an. Die Produkte der PMEGxxxTx-Baureihe sind in den Clip Bond FlatPower (CFP)-Gehäusen CFP2-HP, CFP3, CFP55 und CFP15(B) erhältlich. Diese kompakten und thermisch optimierten Packages sind mittlerweile zum Branchenstandard für Leistungsdioden geworden. Dank des Kupferclips konnte der Wärmewiderstand reduziert und die Ableitung der Wärme in den Umgebungsbereich optimiert werden, was kleine und kompakt ausgelegte Leiterplatten-Designs ermöglicht. (na)

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