一種新型低開(kāi)啟電壓快恢復(fù)二極管技術(shù)

  在電子領(lǐng)域中，二極管是最常用的基礎(chǔ)電子元器件之一。PN結(jié)二極管和肖特基二極管是主要的兩類(lèi)傳統(tǒng)整流二極管，其中PN結(jié)二極管開(kāi)啟電壓較大，但穩(wěn)定性好，能工作于高電壓，是少數(shù)載流子器件且漏電流較小，但是由于少子存儲(chǔ)效應(yīng)使得器件關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)，關(guān)斷損耗較大。
  肖特基二極管不是利用P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體接觸形成PN結(jié)原理制作的，而是利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成的金屬半導(dǎo)體結(jié)原理制作的，所以正向開(kāi)啟電壓較小。由于是多數(shù)載流子導(dǎo)電，所以正向電流較大，但反向漏電流也較大。同時(shí)肖特基二極管沒(méi)有少子存儲(chǔ)效應(yīng)，所以關(guān)斷損耗極小，可以應(yīng)用于高頻情況。
  目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)提出了各種性能更好的二極管，如槽柵MOS勢(shì)壘二極管TMBS,超勢(shì)壘整流器SBR，結(jié)勢(shì)壘控制整流器JBS，混合PIN/Schottky整流器MPS，發(fā)射極短路二極管ESD等器件。
  本文提出了一種新型的低開(kāi)啟電壓快恢復(fù)二極管，如圖1所示，由于金半接觸以及PN結(jié)都存在耗盡區(qū)，導(dǎo)致該器件在不加任何偏置時(shí)，Pdeep之間的溝道是有可能完全被耗盡的。這樣，當(dāng)二極管陽(yáng)極相對(duì)于陰極加上正偏電壓時(shí)，P埋溝之間的耗盡區(qū)縮小為多子電子提供了一個(gè)通道，如圖2所示。在陽(yáng)極主要通過(guò)歐姆接觸流過(guò)電流，同時(shí)陽(yáng)極中間的肖特基接觸區(qū)也會(huì)流過(guò)一部分電流。而當(dāng)二極管陰極相對(duì)陽(yáng)極加上正偏電壓時(shí)，P埋層和N-漂移區(qū)形成的耗盡區(qū)向N-漂移區(qū)擴(kuò)展進(jìn)行耐壓，二極管泄漏電流只比PN結(jié)二極管大兩個(gè)量級(jí)。
  本文首先分析了這種新型的低開(kāi)啟電壓快恢復(fù)二極管的工作原理，推導(dǎo)出了正向開(kāi)啟電壓VF的表達(dá)式；然后采用仿真軟件對(duì)器件進(jìn)行了仿真分析，將該器件與常規(guī)PN結(jié)二極管進(jìn)行了對(duì)比，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
 
  1. 器件結(jié)構(gòu)及工作原理
  低開(kāi)啟電壓快恢復(fù)二極管的結(jié)構(gòu)如圖1所示，二極管的陽(yáng)極將N-漂移區(qū)、漏極N+、體區(qū)引出極P+連接在一起所構(gòu)成；陰極連接N-漂移區(qū)。Pdeep與N-epi是PN結(jié)。在陽(yáng)極中間區(qū)域，金屬和半導(dǎo)體的接觸為肖特基接觸，在陽(yáng)極兩邊的區(qū)域，金屬與N+區(qū)域和P+區(qū)域形成歐姆接觸。由于Pdeep濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于N-epi的濃度，所以這兩者組成的PN結(jié)的耗盡區(qū)將會(huì)向N-epi區(qū)展開(kāi)，定義埋溝處的pdeep/N-epi結(jié)耗盡區(qū)的寬度為WDN,Pdeep之間的間距為WJFET。當(dāng)WnJFET>2WDN時(shí)，埋溝中N-epi沒(méi)有全部被耗盡，兩個(gè)耗盡層之間存在一個(gè)中性區(qū)通道讓電流流過(guò)，電流的路徑為從表面的N+區(qū)域流入橫向的N-epi區(qū)域，然后從Pdecp之間的通道流出，最后到達(dá)陰極；當(dāng)陽(yáng)極電壓增大到一定程度時(shí)，電流可以直接從肖特基接觸區(qū)流出，從而增大器件的電流密度；進(jìn)一步增大陽(yáng)極電壓，電流還可以從Pdeep與N-epi之間的PN結(jié)流出，進(jìn)一步增大電流密度，然而這會(huì)導(dǎo)致器件的開(kāi)關(guān)特性變壞，影響器件在高頻領(lǐng)域的應(yīng)用，因而通常該二極管只工作在單極性的情況下。當(dāng)WJFET≤2WDN時(shí)，埋溝是完全被耗盡的，則器件關(guān)斷。也就是說(shuō)，WJFET的大小決定了器件是否開(kāi)啟。

  當(dāng)陽(yáng)極加正偏電壓并逐漸增大時(shí)，埋溝中的耗盡區(qū)則逐漸減薄，最后使得WJFET=2WDN，二極管開(kāi)啟，此時(shí)的陽(yáng)極電壓即為二極管的閾值電壓，其表達(dá)式為：   其中Nepi為外延層濃度，Npdeep為體區(qū)pdeep的濃度，ni是本征載流子濃度，εs為硅的介電常數(shù)。
 
  2. 仿真分析
  使用二維仿真軟件tsuprem4和Medici對(duì)低開(kāi)啟電壓快恢復(fù)二極管進(jìn)行了仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后各參數(shù)為W1=0.5um,W2= 1.15um,Wepi=7um,L1 =0. 3um, L2=0. 8W， L=2um, N_pdeep=3.0×10¹⁷cm^-3，N_epi=3.4×10¹⁵cm^-3如圖3所示。
  圖4(a)為反向擊穿時(shí)，低開(kāi)啟電壓快恢復(fù)二極管的電流流向及耗盡線分布，從圖中可知，擊穿發(fā)生在Pdeep/N-epi結(jié)處。圖4(b)為正向?qū)〞r(shí)，二極管的電流流向，由圖可知，載流子經(jīng)Pdeep之間的埋溝處流過(guò)，寄生PN結(jié)并未開(kāi)啟，驗(yàn)證了上述理論分析。   圖5(a)、(b)、(c)分別為低開(kāi)啟電壓快恢復(fù)二極管與常規(guī)PN結(jié)二極管(其N(xiāo)型摻雜與厚度與低開(kāi)啟電壓快恢復(fù)二極管的N-外延層相同，P型摻雜和厚度與低開(kāi)啟電壓快恢復(fù)二極管的Pdeep相同，耐壓為110V)的阻斷特性、正向?qū)ㄌ匦约胺聪蚧謴?fù)特性的比較。
  由圖5(a)可知，低開(kāi)啟電壓快恢復(fù)二極管和PN結(jié)二極管的擊穿電壓為110V。在反向電壓為100V時(shí)，低開(kāi)啟電壓快恢復(fù)二極管和PN結(jié)二極管的泄漏電流分別為1.0×10^-18A/um和1.0×10^-12A/um，低開(kāi)啟電壓快恢復(fù)二極管的泄漏電流只比PN結(jié)二極管大了兩個(gè)量級(jí)。由圖5(b)可知低開(kāi)啟電壓快恢復(fù)二極管和PN結(jié)二極管的導(dǎo)通壓降分別為0.15V和0.7V，正向?qū)ü南鄬?duì)PN結(jié)二極管減小了78%。由圖5(c)可知，低開(kāi)啟電壓快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間(8ns)比常規(guī)PN結(jié)二極管(28ns)小72%，反向峰值電流(0.8A)比常規(guī)PN結(jié)二極管(1.1A)小28%。此仿真結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了上述的理論所分析的導(dǎo)通和關(guān)斷原理。
  對(duì)于PN結(jié)二極管，由于泄漏電流非常小，所以在低壓工作時(shí)，功耗主要為正向?qū)ü暮烷_(kāi)關(guān)功耗。雖然低開(kāi)啟電壓快恢復(fù)二極管泄漏電流相對(duì)PN結(jié)二極管大了兩個(gè)量級(jí)，但其反向阻斷功耗仍然只占整個(gè)器件功耗的很小一部分。在這種情況下，低開(kāi)啟電壓快恢復(fù)二極管對(duì)正向?qū)▔航岛烷_(kāi)關(guān)時(shí)間進(jìn)行了顯著的優(yōu)化，使得低開(kāi)啟電壓快恢復(fù)二極管非常適合應(yīng)用于低壓高頻領(lǐng)域。
 
  3. 結(jié)論
  本文提出了一種新型低開(kāi)啟電壓快恢復(fù)二極管理論分析了新型二極管的原理，推導(dǎo)出了正向開(kāi)啟電壓VF的表達(dá)式對(duì)新型二極管的反向擊穿特性、反向恢復(fù)特性、正向?qū)ㄌ匦赃M(jìn)行了模擬仿真和分析。仿真結(jié)果表明在相同耐壓110V下，新型二極管的正向壓降(0.15V)比常規(guī)PN結(jié)二極管(0.7V)小78%，反向恢復(fù)時(shí)間(8ns)比常規(guī)PN結(jié)二極管(28ns)小72%，反向峰值電流(0.8A)比常規(guī)PN結(jié)二極管(1.1A)小28%。



上一篇：固態(tài)斷路器中快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)模型設(shè)計(jì)
下一篇：高頻電阻焊機(jī)用大電流FRD快恢復(fù)二極管